-
حالت هاي مواد
احمد شكيب
كلاً مواد در جهان در شش حالت ظاهر مي شوند :
جامد، مايع، گاز، پلاسما، ماده چگال باس-اينشتين و حالت تازه كشف شده: ماده چگال فرميوني.
مواد جامد در برابر تغيير شكل مقاومت مي‌كنند، آنها سخت و گاهي شكننده اند.
مايع‌ها به راحتي تغيير حالت مي دهندو به سختي متراكم مي‌گردند و شكل ظرف خود را مي‌گيرند.
گازها كم چگال‌تر اند و ساده‌تر متراكم مي‌شوند و نه‌تنها شكل ظرف محتويشان را مي‌گيرند، بلكه آنقدر منبسط مي‌شوند تا كاملا آن را پر كنند. در ترموديناميك بررسي قوانين گاز ها از گازهاي كامل استفاده مي شود . اين گازها معمولاً در شرايط استاندارد حالت گاز را به خود مي گيرند.
حالت چهارم ماده، پلاسما، شبيه گاز است و اما ذرات سازنده آن يون ها مي باشد. در جهان بيشتر مواد در حالت پلاسماهستند، مثل خورشيد و ساير ستارگان . پلاسما اغلب بسيار گرم است و مي‌توان آن را در ميدان‌هاي مغناطيسي به دام انداخت.
حالت پنجم با نام ماده چگال باس-اينشتين (Bose-Einstein condensate) كه در سال 1995 كشف شد، در اثر سرد شدن ذراتي به نام باسن‌ها (Bosons) تا دماهايي بسيار پايين پديد مي‌آيد. باسن‌هاي سرد در هم فرومي‌روند و ابر ذره‌اي كه رفتاري بيشتر شبيه يك موج دارد تا ذره‌اي معمولي شكل مي‌گيرد. ماده چگال باس-اينشتين شكننده‌است وسرعت نور در آن بسيار كم است .
ديبورا جين (Deborah Jin) از دانشگاه كلورادو كه گروهش در اواخر پاييز امسال ( 1382 ) موفق به كشف اين شكل تازه ماده شده‌است، مي‌گويد: وقتي شكل جديدي از ماده روبرو مي‌شويد بايد زماني را صرف شناخت ويژگي‌هايش كنيد. آنها اين ماده تازه را با سرد كردن ابري از پانصدهزار اتم پتاسيم - 40 تا دمايي كمتر از يك ميليونيم درجه بالاتر از صفر مطلق پديدآوردند. اين اتم‌ها در چنين دمايي بدون گران‌روي جريان مي‌يابند و اين نشانه ماده جديد بود. در دما‌هاي پايين‌تر چه اتفاقي مي‌افتد؟ هنوز نمي‌دانيم.
ماده چگال فرميوني بسيار شبيه ماده چگال باس-اينشتين (BEC) است. هر دو از فرورفتن اتم‌ها در دماهايي بسيار پايين ساخته‌مي‌شوند. اتم‌هاي BEC باسن اند و اتم‌هاي ماده چگال فرميوني، فرميون. باسن‌ها درهم فرومي‌روند، اما فرميون‌ها اينگونه نيستند. باسن‌ها اتم‌هايي هستند كه مي‌توانند در هم فرو روند. به طور كلي اگر تعداد (الكترون + پروتون + نوترون اتمي) عددي زوج باشد، آن اتم يك باسن است. مثلا اتم‌هاي سديم معمولي باسن اند و مي‌توانند به حالت فاز چگال باس-اينشتين ادغام شوند. اما فرميون‌ها مطابق اصل طرد پائولي نمي‌توانند در يك واحد كوآنتومي در هم ادغام شوند. هر اتمي كه تعداد الكترون‌ها + پروتون‌ها + نوترون‌هايش عددي فرد باشد، مثل پتاسيم - 40 يك فرميون است. گروه جين براي مقابله با خواص ادغام‌ناپذيري فرميون‌ها از تأثير ميدان مغناطيسي بر آنها استفاده‌كردند.
ميدان مغناطيسي سبب مي‌شود اتم‌هاي تنهاي فرميون جفت شوند. قدرت اين پيوند را ميدان مغناطيسي تعيين مي‌كند. جفت‌هاي اتم‌هاي پتاسيم برخي از خواص فرميونيشان را حفظ مي‌كنند، ولي كمي شبيه باسن‌ها عمل خواهند‌كرد. يك جفت فرميون مي‌تواند در جفت ديگري ادغام شود - و جفت تازه در جفتي ديگر ...- تا سرانجام ماده چگال فرميوني شكل‌گيرد. در اثر اين پديده، گران‌روي (Viscosity) ماده به وجود آمده بايد بسيار كم باشد. جفت‌هاي فرميون مي‌توانند درهم فروروند و شبيه باسن‌ها عمل كنند. مشابه اين پديده را در ابررسانايي مي‌بينيم. در يك ابررسانا، جفت‌هاي الكترون (الكترون‌ها فرميون اند) مي‌توانند بدون هيچ مقاومتي جريان يابند. متأسفانه مطالعه و دسترسي به ابررساناها بسيار مشكل است. گرم‌ترين ابررساناي امروزي مي توانند در دماي (135- )درجه سانتيگيراد عمل مي‌كند و اين بزرگ‌ترين مشكل براي مطالعه و استفاده از آنهاست. قدرت جفت‌شدن شگفت‌انگيز در حالت جديد، دانشمندان را اميدوار كرده‌است كه بتوانند از يافته‌هاي خود درباره حالت تازه ماده، براي توليد ابررساناها در دماي اتاق استفاده كنند.
-
پراش نور
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
وقتی جسم کدری میان یک پرده و یک چشمه نقطه‌ای نور قرار گیرد، سایه‌ای پیچیده متشکل از نواحی روشن و تاریک ایجاد میشود. این اثر به آسانی قابل روییت است، اما یک چشمه نسبتا قوی ضروری است. لامپی با شدت زیاد که از یک سوراخ کوچک می‌درخشد، این کار را به خوبی انجام می‌دهد. اگر به نقش سایه حاصل از یک قلم ، تحت روشنایی یک چشمه نقطه‌ای نگاه کنید یک ناحیه روشن غیر معمولی در کناره خواهید دید.
حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشکیل میشود. به سایه‌ای که توسط دستتان در امتداد نور خورشید ایجاد میشود، نگاهی دقیق بیندازید. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمی‌گیرد. هر چند اگر در شب رانندگی کرده باشید، در حالیکه چند قطره باران بر روی شیشه عینکتان نشسته باشد، فریزهای روشن و تاریک را مشاهده خواهید کرد.
تاریخچه
اولین مطالعه تفضیلی منتشر شده درباره انحراف نور از مسیر مستقیم توسط فرانسسیکو گریمالدی در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه نامید.
انواع پراش
پراش فرانهوفر
فرض کنید که یک مانع کدر حاوی یک روزنه کوچک داریم که امواج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. صفحه مشاهده ، پرده‌ای است موازات با مانع کدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها میشود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظه‌ای پخش خواهد شد. بطوری که به روزنه واقعی بی‌شباهت است و یا شباهت اندکی با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حرکت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغییر می‌دهد ولی شکل آن را بدون تغییر می‌گذارد. این پراش را فرانهوفر یا پراش میدان- دور میگویند.
پراش فرنهوفر تک شکاف
در این نمونه شکاف مستطیل شکل که پهنای کوچک و طول چند سانتی متردارد، در مقابل منبع نور قرار میگیرد. پرتوهای نور بعد از عبور از شکاف بر روی پرده تشکیل تصویر می‌دهند، که قسمت مرکزی در مقایسه با کناره‌ها شدت بیشتری دارد. نقش‌های پراش در اطراف این ناحیه بوضوح دیده میشود و ضمن اینکه شدت نور با دور شدن از ناحیه مرکزی کاهش ی‌یابد، نوارهای تاریک در بین نوارهای روشن قابل روییت است.
شکاف دوگانه
در این نمونه مانع کدر که در مقابل نور قرار میگیرد از دو شکاف مستطیل شکل موازی تشکیل شده است. هر روزنه به خودی خود همان نقش پراش تک شکافی را روی پرده دید ایجاد خواهد کرد. در هر نقطه روی پرده سهم‌های مربوط به این دو شکاف روی هم می‌افتد. گرچه دامنه هر کدام از آنها اساسا باید باهم مساوی باشد، ممکن است اختلاف فاز قابل توجهی پیدا کنند. در داخل قله مرکزی پراش وجود خواهد داشت. ممکن است یک بیشینه تداخل و یک کمینه پراش با یک مقدار از (زاویه انحراف از قسمت مرکزی) متناظر باشند. در چنین حالتی نوری وجود ندارد، که در آن موقعیت دقیق در تداخل شرکت کند و قله حذف شده را مرتبه گم شده می‌نامند.
پراش فرنل
فرض کنید یک مانع کدر حاوی روزنه کوچک که اموج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. در این حالت صفحه مشاهده پرده‌ای موازی با مانع است. در این شرایط یک تصویر از روزنه بر روی پرده می‌افتد، که علی‌رغم وجود برخی فریزهای جزیی در اطراف محیط آن ، به روشنی قابل تشخیص است. بتدریج که صفحه مشاهده از مانع دور میشود، تصویر روزنه گر چه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شکل مشخص‌تری به خود میگیرد، و این در حالی است که فریزها نمایانتر میشوند. این پدیده مشاهده شده پراش فرنل یا میدان- نزدیک نامیده میشود.
اصل بابینه
دو پرده پراشان را مکمل میگویند، هرگاه نواحی شفاف روی یک پرده با نواحی کدر پرده دیگر و بر عکس متناظر باشند. وقتی که دو پرده مکمل روی هم بیافتند، آشکار است که ترکیب آنها کاملا کدر است.
توری پراش
آرایه‌ای تکراری از عناصر پراشان ، نظیر روزنه‌ها یا موانعی که اثر آنها ایجاد تغییرات متناوبی در فاز ، دامنه یا هر دوی آنها در یک موج خروجی است، یک توری پراش نامیده میشود. غالبا توریهای تخت تراشه‌ای ، یا شیارهایی تقریبا مستطیلی چنان سوار میشوند که بردار انتشار فرودی تقریبا بر هر یک از وجوه شیارها عمود باشند.
-
پراش صوتی
بازتابش ، شکست و پراش فیزیک امواج صوتی عینا مانند بازتاب ، شکست و پراش نور صورت میگیرد. زیرا آثار امواج نوری از بسیاری جهات شباهت به آثار امواج صوتی دارند و تنها فرق موجود این است که طول موج فیزیک امواج نورانی نسبت به طول موج فیزیک امواج صوتی بسیار کوچک میباشد. ولی قوانین هندسی آنها کاملا با هم شباهت دارد.
وقتی که بین منبع صوت و گوش مانعی قرار دهیم بر حسب بزرگی و کوچکی مانع نسبت به طول موج ، ممکن است آثار مختلف پیدا شود. اگر فیزیک امواج صوتی به جدار محکمی که در آن سوراخی تعبیه شده است برخورد کنند، قسمتی از فیزیک امواج که به سطح دیواره برخورد میکنند منعکس میگردند و قسمت دیگر که به لبه جداره و یا به لبه سوراخ برخورد میکنند ممکن است پراشیده شوند.
مشاهده پدیده تفرق در زندگی روزمره
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
پدیده تفرق فیزیک امواج صوتی در مشاهدات روزانه ما زیاد است. مثلا وقتی اشخاص در مقابل دهنه بوقی شکل بلندگو واقع میشوند، آنهایی که در وسط و در نزدیکی محور قرار دارند، تمام صداها را میشنوند، ولی آنهایی که در اطراف محور و خارج از میدان بوق شده‌اند فقط آن کلمات و با قسمتی از موزیک را میشنوند که با صدای بم ادا نشده باشد. همچنین وقتی دو نفر در اطاقی مکالمه میکنند اگر در دیوار مشترک با اطاق مجاور ، سوراخ کوچکی باشد ممکن است صدای آنها را در اتاق مجاور تشخیص داد. در صورتیکه اگر درب همان دو اطاق باز باشد آنکه در همسایگی واقع است ممکن است درست صدای مکالمه در همان اطاق مجاور را بخوبی و مانند سابق نشنود.
همینطور وقتی که در سینما یا تیاتر پشت سر شخص چاق یا قد بلندی بنشینم ، به گونه‌ای که مشاهده صحنه برای ما مقدور نباشد باز صدای آرتیستها را میشنویم. فیزیک امواج صوتی که به بدن آن شخص میرسند قسمتی جذب شده و قسمتی منعکس میگردند و قسمتی که به حدود اطراف بدن او برخورد میکنند، به واسطه پدیده پراش در پشت سر او در هر نقطه که گوش ما قرار گیرد قابل شنیدن میباشند.
یک آزمایش ساده
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
قطعه‌ای از نمد را که تقریبا به مساحت یک متر مربع باشد اختیار کنید و در وسط آن سوراخی به قطر ۱۵ سانتی متر ایجاد نمایید. اگر یک فرفره آلمانی (نوعی فرفره است که در جدار آن چند سوراخ وجود دارد، وقتی که میچرخد، تولید صدا میکند) را در فاصله ۳۰ سانتی متری از سوراخ بچرخانیم در هر جایی که در پشت نمد قرار گیریم صدای آن به آهستگی و به طور یکنواخت شنیده میشود. و اگر خود را در مقابل سوراخ طوری قرار دهیم که فرفره را با چشم خود ببینیم، صدای آن از وقتی که خود را در جای دیگر قرار دهیم بلندتر شنیده نمیشود. تنها وقتی در ناحیه پشت قطعه نمد صدای قویتر شنیده میشود که نمد را از میان برداریم و این مطلب برای این است که در صورت اخیر انرژی صوتی بیشتری در گوش ما داخل میشود.
اگر بجای فرفره ، یک ساعت جیبی قرار دهیم (طول موج امواجی که ساعتها تولید میکنند از یک الی هشت سانتی متر تغییر میکند) در این حالت برای اینکه صدای تیک تیک آن را در پشت قطعه نمد بشنویم باید خود را در روی محور قرار دهیم، به گونه‌ای که ساعت از پشت نمد قابل رویت باشد. وقتی که این شرط حاصل شد، صدای آن عینا مانند وقتی شنیده میشود که نمد وجود نداشته باشد و چون در خارج محور واقع باشیم صدای ساعت تقریبا دیگر شنیده نمیشود.
شرایط پراش
- فرض کنید فیزیک امواج صوتی به سطح دیواری که سوراخی در آن تعبیه شده است، برخورد میکنند. امواج صوتی را با طول موج معینی در نظر میگیریم. هرگاه طول موج نسبت به قطر سوراخ بزرگ باشد، چون طبقه متراکم (موج) به دیوار برسد، قسمت کوچکی از آن که از سوراخ عبور میکند خود مانند مرکز صوت شد. و با آن طرف جدار طبقات کروی متراکم و منبسط ، پشت سر هم بمرکز سوراخ درست میشوند. نتیجه اینکه در پشت مانع در همه جا صدا وجود خواهد داشت.
- برعکس اگر طول موج نسبت به قطر سوراخ کوچک باشد ، فیزیک امواج در حین عبور از سوراخ عینا به همان حالت باقی میمانند. بدیهی است که در این حالت قسمتی از موج تابشی که با دیوار برخورد میکند، خود به خود حذف میگردد، و فقط قسمت مواجه با سوراخ از آن عبور می کند.
- بنابراین در حالت اول ، در هر نقطه از پشت جدار که واقع باشیم، صدای منبع آهسته‌تر ولی به یک اندازه شنیده میشود، در صورتی که در حالت دوم ، فقط اگر در ناحیه مقابل سوراخ باشیم صدای منبع را به خوبی میشنویم و در خارج آن صدای منبع مسموع نیست. علت اینکه در حالت اول صدا آهسته‌تر شنیده میشود، آنست که انرژی صوتی که از سوراخ عبور میکند روی سطح کروی توزیع شده و ضعیف میگردد، در صورتی که در حالت دوم تمام مقدار انرژی صوتی که از سوراخ عبور میکند روی فیزیک امواج با سطوح کوچک در پشت مانع متمرکز میباشند.
-
انفجار هسته ای
تعریف انفجار
انفجار اعم از عادی یا هسته ای عبارتست از رهایی مقدار زیادی انرژی در مدت زمانی بسیار کوتاه و در فضای محدود .
ساختار انفجاری هسته ای
در انفجار هسته ای حرارت و فشار حاصل از اندازه ای است که جرم بمب و همه مواد موجود در فضای مزبور را در آن واحد زمان بصورت توده ای از گاز داغ ، ملتهب و فشرده در آورده و تشکیل گوی آتشین که در حدود چند میلیون درجه حرارت است می دهد این گوی آتشین بلافاصله انبساط کرده و به لایه های بالای جو صعود می کند.انبساط سریع گوی آتشین فشار اطراف خود را بالا برده و موج انفجاری بسیار شدیدی و یا موج ضربه فوق العاده ای در زمین یا آب یا در زیر زمین ایجاد می کند که اثر تخریبی انفجار مربوط به آنها ست .
مشخصات انفجاری هسته ای
- در نزدیکی انفجار سرعت موج از یک کیلومتر درثانیه یعنی هزارها کیلومتر در ساعت بیشتر است .
- قسمت عمده ای از انرژی انفجار بصورت حرارت و نور آزاد می شود که در منطقه وسیعی ایجاد آتش سوزی نموده و حتی در فاصله های دورتر سبب سوختگی در پوست بدن موجودات زنده ای که در معرض آنها قرارگرفته باشند می گردد .
- مقدار زیاری اشعه نامریی هسته ای به نام تشعشع هسته ای اولیه بوجود می آید که قدرت نفوذی فوق العاده ای داشته و بر حسب شدت تشعشع آنها آثار بیولوژیکی تشعشعات هسته ای وخیم یا کشنده در موجودات زنده بوجود می آورند .
- مواد حاصل از انفجار های هسته ای به شدت رادیو اکتیو بوده ومنطقه وسیعی را بطوری الوده می سازد که بر حسب نزدیکی یا دوری از مرکز انفجار تامدتی غیر قابل سکونت خواهند بود مانند هیروشیمای ژاپن .
- در انفجارهای معمولی درجه حرارت در مرکز انفجار به حدود ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد درمورد انفجارهای هسته ای به ده ها میلیون درجه می رسد .
حوزه انفجارهسته ای
قطر کره آتشین از بمب هسته ای یک مگاتنی در یک هزارم ثانیه به حدود ۱۵۰ متر رسیده ودر هر ثانیه به حداکثر اندازه خود که حدود ۲۰۰۰ متر است می رسد و پس از یک دقیقه نسبتا سرد شده و روشنایی خود را از دست می دهد این زمانی است که انفجار ۷ کیلو متر صعود کرده است برای تصور میزان درخشندگی آن کافیست اشاره کنیم که :
- از فاصله یکصد کیلومتری از نور خورشید در وسط روز درخشنده تر است .
- در پاره ای از آزمایش ها که در طبقات بالای جو انجام گرفته نور حاصله از فاصله ۱۰۰۰ کیلومتری محسوم بوده است که تحت بعضی شرایط این نور می تواند موجب کوری موقتی یا سوختگی دایمی شبکیه چشم شود .
- در موقع آزمایشات هسته ای در معرض بودن تصادفی اشخاص موجب سوختگی شبکیه چشم درمسافت ۱۰ مایلی در سلاح ۲۰ کیلو تنی شده است .
- گوی آتشین همانطور که به سرعت بزرگ شده و صعود می کند تغییر شکل داده و پهن تر می شود ضمناً هوا و خاک و عناصر دیگر را از پایین به داخل خود می مکد و به همین ترتیب دنباله ای از غبار تشکیل می شود که گوی آتشین را به زمین وصل می کند کره آتشین بتدریج سرد شده و بصورت ابری متلاطم در می آید که ابتدا سرخ رنگ بوده و بعد سفید می شود در این حال با دنباله خود شکل قارچی به خود می گیرد .
تخریب بعد از انفجار هسته ای
- چنانچه انفجار در سطح زمین یا نزدیکی آن اتفاق بیافتد مقدار زیادی خاک و شن و مواد مختلف بخار شده و همراه با گوی آتشین بالا می روند یک صدم انرژی سلاح مگاتنی در تر کش سطحی کافی است که ۴۰۰۰ تن خاک و شن و سنگ را بخار نماید این مواد که بدین ترتیب به داخل گوی آتشین کشیده شده با مواد رادیو اکتیو مخلوط می شوند و ابر اتمی قارچ شکل انفجارات اتمی را شکل می دهند ذرات این باد بتدریج به زمین بازگشته و یا در اثر برف و باران به زمین ریخته خواهد شد این عمل ریزش اتمی نامیده شده و منبع تشعشعات باقیه خواهند بود .
- در انفجارهای زیر آبی مقدار زیادی آب بخار خواهد شد یک صدم انرژی سلاح یک مگاتنی کافیست که ۲۰۰۰۰ تن آب را بخار کند .
- انفجار زیر زمینی اتمی ایجاد تکانهایی مانند زمین لرزه می نماید در اثر این لرزش و جابه جاشدن قسمتی از سطح زمین خرابی بوجود می آید اما انرژی یک زلزله قوی با انرژی یک میلیون بمب اتمی برابر است!
تقسیم بندی انرژی انفجار سلاح اتمی
مجموع انرژی حاصله که به نام قدرت بمب نامیده می شود به سه اثر اولیه تقسیم می شود . گرچه تقسیم بندی انرژی تا اندازه ای به نوع سلاح و سوختنش وشرایط انفجار بستگی دارد ولی بطور کلی بصورت زیر تقسیم بندی می شود .
- ۵۰% انرژی به توسط موج انفجاری یا موج ضربه حمل می شود .
- ۳۵% انرژی را تشعشع حرارتی و امواج نورانی در خود دارند .
- ۱۵% انرژی را تشعشع هسته ای ( ۵% تشعشع ابتدایی ۱۰% تشعشع باقیه ) دارد.
-
پدیده نابودی زوج
یکی از نتایج اصل هم ارزی جرم و انرژی این است که این دو می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. مشاهده تجربی این مسیله در فرایندهای مختلف مانند اثر فوتوالکتریک ، اثر کامپتون ، پدیده تولید زوج و … انجام شده است. در پدیده تولید زوج تابش الکترومغناطیسی در مجاورت یک هسته سنگین به دو ذره الکترون و پوزیترون واپاشیده میشود، اما پوزیترون نمی‌تواند طول عمر زیادی داشته باشد، چون فضا پر از الکترون است، لذا پوزیترون بعد از مدت کوتاهی از تولید شدن با یک الکترون ترکیب شده و از بین می‌رود و به جای آن فوتون یا تابش الکترومغناطیسی ایجاد میشود که به این پدیده نابودی زوج میگویند.
شرایط اولیه نابودی زوج
نابودی زوجهای ذره و پادذره و همراه با آن آفرینش فوتونها ، عمل عکس تولید زوج است. نابودی ماده و آفرینش انرژی الکترومغناطیسی را برای حالتی در نظر میگیریم که الکترون و پوزیترون نزدیک به هم و اساسا ساکن باشند. در آغاز اندازه حرکت خطی کل این دو ذره صفر است، بنابراین وقتی این دو ذره به هم می‌پیوندند و نابود میشوند، یک تک فوتون نمی‌تواند آفریده شود، زیرا این عمل باعث نقض قانون بقای اندازه حرکت خطی میشود، ولی اگر دو فوتون آفریده شوند که با اندازه حرکتهای مساوی و در جهتهای مخالف حرکت کنند، اندازه حرکت خطی می‌تواند پایسته بماند.
چنین زوج فوتونهایی دارای فرکانسها و انرژیهای یکسان هستند. در واقع می‌توان گفت که سه یا چند فوتون می‌توانند آفریده شوند، ولی با احتمال به مراتب کمتر از آفرینش دو فوتون. همین طور ، وقتی چندین زوج الکترون و پوزیترون در نزدیکی یک هسته سنگین نابود میشوند، تعداد کمی از این نابودیها یک تک فوتون تولید خواهند کرد.
سرنوشت نهایی پوزیترون
سرنوشت نهایی پوزیترونها بعد از تولید در پدیده تولید زوج ، نابودی است. وقتی که یک پوزیترون با انرژی بالا ظاهر میشود، هنگام عبور از ماده ، در اثر برخوردها ، انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهد و سرانجام با سرعت پایین حرکت میکند. آنگاه این پوزیترون با یک الکترون ترکیب میشود و تشکیل یک دستگاه مقید به نام پوزیترونیوم می‌دهد که خیلی سریع (در مدت ۱۰- ^ ۱۰ ثانیه) به دو فوتون با انرژی مساوی واپاشیده میشود.
از این رو ، مرگ یک پوزیترون با ظهور دو کوانتوم نابودی یا دو فوتون ، که انرژی هریک ۰،۵۱ میلیون الکترون ولت است، خبر داده میشود. قابلیت فنا شدن پوزیترونها به دلیل ناپایداری ذاتی نیست، بلکه به خاطر احتمال زیاد برخورد آنها و نابودیهای بعدی با الکترونهاست.
جهان فرضی
در جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم، کثرت تعداد الکترون ، پروتون و نوترون (در حالت کلی ذره) برقرار است، بنابراین زمانی که پادذره‌های این ذرات خلق میشوند، بلافاصله طی فرایندهایی نابود میشوند، اما می‌توان فرض کرد که بخشی از جهان وجود دارد که در آن تعداد پوزیترون ، پادپروتون ، پادنوترون (در حالت کلی پادذره) زیاد است. هرچند این امر در حال حاضر فقط در حد یک حدس و گمان است.
-
ماده و صورت
ماده و صورت از مفاهیم اساسی فلسفه هستند که اول بار توسط ارسطو وضع شدند و در طول تاریخ حیات فلسفه، همواره مفهومی بنیادین بوده و جای خاص خود را حفظ کرده اند.
ما در هر چیزی می توانیم ماده و صورت را بیابیم. به همین دلیل گفته می شود که: وجود و حرکت عالم هستی، بر اساس ماده و صورت است.
در آغاز، آنچه ارسطو را برای اولین بار، به این دو اصل راهنمایی کرد، تفاوتی بود که میان مواد سازنده شی و ساختار شی، مشاهده می کرد.
ماده
ماده ی هر چیز یعنی مواد ، عناصر و در واقع خمیره ای که شی از آن تشکیل شده است. مثلا ماده ی لباس، پارچه، ماده ی میز، چوب و ماده ی نمک طعام، سدیم و کلر است.
بنابراین وقتی از ماده شی صحبت می کنیم، منظورمان این است که شی از چه موادی ساخته شده است. آن موادی را که شی را تشکیل داده اند، روی هم رفته، ماده شی می خوانیم.
صورت
منظور از صورت، قالب و ساختار شی است؛ نوعی نظم و ساختار که شی را شکل و تعین می بخشد. به عنوان مثال، خیاط، پارچه را که ماده لباس است شکل داده و به صورت لباس در می آورد؛ به عبارت دیگر، خیاط، به پارچه صورت می بخشد. در اینجا، صورتِ لباس است که آن را لباس می کند، نه پارچه(ماده آن).
باید توجه داشت که منظور از صورت فقط شکل و قیافه و ریخت ظاهری شی نیست؛ بلکه همچنین مقصود از آن این است که شی برای اینکه به وجود آمده و کارکرد داشته باشد، به چه نحو تشکل یا سازمان پیدا کرده است.
مثلا، صورت مرغ در واقع، آن چیزی است که همه مرغ ها به طور مشترک دارند؛ یعنی مجموعه ویژگی های خاصی که در هر مرغ وجود دارد و آن را مرغ می کند؛ مانند بال، پر، تخم گذاری … و از همه اساسی تر سازمان و ساختار مرغ یا صورت مرغ است که به آن این اجازه را می دهد که فعالیت ها و ویژگی های خاص یک مرغ را داشته باشد.
به این ترتیب، به نحوه خاص تشکل اجزاء مادی به منظور ایجاد کارکرد، صورت می گوییم. صورت مانند ظرف و ماده مانند آب است؛ آب را در هر ظرفی بریزیم، به شکل همان ظرف در می آید. صورت ماده را که هیچ گونه تعینی ندارد، شکل می دهد.
رابطه ماده با صورت
صورت و ماده همیشه با هم وجود دارند و امکان ندارد یکی بدون دیگری تحقق پیدا کند. صورت، همان ساختار شی است؛ همان ویژگی های شی است و به همین علت، چیزی نیست که بتواند از شی جدا باشد، زیرا ویژگی شیی از آن جدا نیست. امکان ندارد ماده ای بدون صورت موجود شود؛ زیرا هر ماده ای ظرف و قالبی می خواهد تا در آن جای بگیرد و متعین گردد.
البته می توانیم چنین چیزی را، یعنی ماده صرف را که هیچ تعینی ندارد، فرض کنیم. فلاسفه، این ماده نامتعین و بی صورت را هیولای اولی می نامند و همان طور که گفته شد، هیولای اولی فقط فرض ذهنی ماست و ممکن نیست تحقق خارجی داشته باشد.
صورت و حقیقت شی
در حقیقت، این صورت شی است که یک شی را آن شی میکند؛ به عبارت دیگر، فعلیت شی به صورت آن است. ماده شی هیچ چیز خاصی نیست؛ توده ای خمیره است که هیچ نامی نمی توانیم به آن بدهیم و این خمیره هر چیزی می تواند باشد؛ یعنی این استعداد را دارد که به هر چیزی تبدیل شود. تنها وقتی که این ماده به صورت خاصی درآمد، نام مخصوصی به خود می گیرد و در واقع آن هنگام است که چیزی می شود. به عبارت دیگر، تنها وقتی می توانیم چه بودی و حقیقت یک شیی را تعیین کنیم که صورتی را پذیرفته باشد.
همه اشیا و موجودات به سوی کمال خود در حال حرکتند و این کمال، همان صورت است. یعنی همه آن ها می خواهند به فعلیت برسند. دانه می خواهد گیاه شود؛ بنابراین دانه ماده و گیاه صورت آن است. بدین ترتیب گفته می شود که ماده قوه و صورت، فعلیت شی است.
چیزی که هیچ ماده ای نداشته باشد، یعنی این که همه اش کمال و فعلیت است؛ یعنی صورت محض و به گفته ارسطو، این صورت محض، خدا است.
-
اینشتین و فیزیک نوین
از میان مجموعه مقاله هاى اینشتین مقاله اى که او در سال ۱۹۰۵ عرضه کرد، اثر مهمى در پیشرفت علم داشته است. در آن مقاله پدیده فوتوالکتریک را شرح مى دهد و با استفاده از نظریه کوانتوم پلانک نظریه فوتونى نور را بیان مى کند. بر طبق این نظریه نور مانند انرژى هاى دیگر حالت کوانتومى دارد. کوانتوم نور را که فوتون مى نامیم مقدار مشخص انرژى است که اندازه آن، E، از رابطهhv = Eبه دست مى آید که v بسامد موج و h ثابت پلانک است.
بنابر این نظریه هر چه بسامد نور بیشتر یا طول موج آن کمتر باشد، انرژى فوتون بیشتر است. چنانچه این فوتون ها در مسیر حرکت خود به الکترون هایى برخورد کنند، جذب الکترون مى شوند و انرژى الکترون را بالا مى برند و در نتیجه الکترون مى تواند از میدانى که در آن قرار گرفته است، آزاد و خارج شود. اینشتین به مناسبت توضیح پدیده فوتوالکتریک جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ فیزیک را دریافت کرد. نظریه فوتونى او نه فقط نور بلکه سراسر طیف موج هاى الکترومغناطیسى از موج هاى گاما تا موج هاى بسیار بلند را دربرمى گیرد و توضیح مى دهد.
موضوع دومین مقاله اینشتین حرکت براونى بود. در سال ۱۸۲۷ رابرت براون (۱۸۵۸- ۱۷۷۳) گیاه شناس و پزشک انگلیسى حرکت مداوم معلق دو مایع را مشاهده کرد و متوجه شد که این ذره ها با قطرى حدود یک میکرون پیوسته به این سو و آن سو حرکت مى کنند. اینشتین همین آزمایش را در مقاله اى با استفاده از نظریه جنبشى ذره ها تعبیر و تفسیر کرد و از روى آن عدد آوودگادرو را به دست آورد.
اینشتین نظریه نسبیت خاص را در مقاله سوم معرفى کرد. در این مقاله بود که مفاهیم اساسى طبیعت موجى فضا، حجم، زمان و حرکت به طور کامل تغییر کرد. اینشتین ضمن مطالعه هاى خود توانست مسیله سرعت نور را که از مدت ها پیش تعجب دانشمندان را برانگیخته بود، حل وفصل کند. او نظریه خود را براساس دو اصل زیر قرار داد:
۱- سرعت نور در جهان ثابت است
۲- قانون هاى طبیعت براى ناظرین مختلف که یکنواخت حرکت مى کنند یکسان است.
اینشتین نشان داد که اگر ثابت نبودن سرعت نور را بپذیریم، نتیجه هاى شگفت انگیزى به بار مى آید. براى مثل هر چه سرعت حرکت جسمى بیش تر شود، طول آن کوتاه تر و جرمش بیشتر مى شود. نتیجه دیگر آنکه به زمان مطلق و فضاى مطلق به شکلى که پیشینیان تصور مى کردند نمى توان قایل شد و زمان و فضا را جدا و مستقل از یکدیگر نمى توان در نظر گرفت. دنیاى مادى یک فضا و زمان چهاربعدى است. جرم یک جسم نیز ثابت نیست و با تغییر سرعت تغییر مى کند به طورى که مى توان جرم را نوعى انرژى متراکم در نظر گرفت و یا انرژى را جرم پراکنده دانست. اینشتین با بیان نظریه نسبیت خاص، قانون بقاى ماده لاوازیه و اصل بقاى انرژى مایر را به اصل بقاى مجموع ماده و انرژى درآورد و رابطه معروف جرم و انرژى را به دست آورد. اینشتین در سال ۱۹۱۶ نظریه نسبیت عام را تنظیم و اعلام کرد. در این نظریه نه تنها حرکت با سرعت ثابت و مسیر مستقیم، بلکه هر نوع حرکتى در نظر گرفته شده بود. در بسیارى موارد دلیل آنکه سرعت و مسیر حرکت هر متحرکى تغییر مى کند، وجود نیروى جاذبه است. بنابراین در نظریه نسبیت عام باید نیروى جاذبه در نظر گرفته شود. اینشتین یک رشته معادله تنظیم کرد که نشان مى داد اگر در هیچ جا ماند و نیروى جاذبه وجود نداشته باشد، جسم متحرک مسیر مستقیمى را طى مى کند و اگر ماده وجود داشته باشد فضاى پیرامون جسم متحرک دگرگون شده، جسم مسیر منحنى را طى مى کند. نظریه نسبیت عام نشان مى دهد که این منحنى ها چگونه باید باشند و این به طور کامل با آن چه در نظریه جاذبه نیوتن پیش بینى شده بود، تطبیق نمى کرد. براى مثال بر طبق نظریه اینشتین مسیر نور تحت تاثیر میدان جاذبه قوى تغییر مى کند. در صورتى که از قانون هاى نیوتن چنین نتیجه اى به دست نمى آمد. کسوف سال ۱۹۱۹ نظریه اینشتین را ثابت کرد. در سال ۱۹۶۹ دو سفینه پژوهشى که به سمت مریخ فرستاده شدند، اثر خورشید بر مسیر موج هاى رادیویى را مورد مطالعه و مشاهده قرار دادند.
ایران و سال جهانى فیزیک
سال جهانى فیزیک فرصت مناسبى است تا در ایران به نقد آموزش علوم و پژوهش هاى علمى بپردازیم و مشخص کنیم آیا راه و روشى را که از زمان بنیانگذارى دارالفنون تاکنون برگزیده ایم درست و بجا بوده و توانسته است بسترى مناسب براى فعالیت هاى علمى و پژوهشى به وجود آورد. آیا با همه سرمایه گذارى هاى مادى و معنوى توانسته ایم جامعه ایرانى را به حالتى برسانیم که به علم باور داشته باشند، علمى بیندیشند، بتوانند تولیدکننده علم باشند و بدانند که براى رساندن جامعه به خودکفایى و توسعه پایدار، کارى مداوم و جدى و همگانى لازم است.
گرچه نمى توان منکر تلاش هاى صمیمانه افراد و سازمان هاى مؤثر در آموزش علوم جدید در ایران شد لیکن در این مدت نتوانسته ایم به سطح مورد انتظار جامعه برسیم، ولى توانسته ایم پایه هاى اولیه را طرح ریزى و شروع به سازندگى کنیم. این کار از یک سو از دبستان ها و از سوى دیگر از دانشگاه ها آغاز شده است. در دبستان ها فعالیت آموزش علوم با طرح جدیدى که هم اکنون در مدرسه ها اجرا مى شود، آغاز شد. کودکان را به مشاهده مستقیم طبیعت و کارگروهى برانگیخته اند و به جاى آنکه فقط دانستنى ها را به ذهن آنها منتقل کنند، معلمان، کودکان را به مشاهده طبیعت، جمع آورى اطلاعات، طبقه بندى و حتى طراحى آزمایش، فرضیه سازى و نتیجه گیرى تشویق مى کنند و همه اینها مقدمه اى است براى آنکه کودکان با روش علمى آشنا شوند.
در دانشگاه ها تحقیقات سازمان یافته آغاز شده است. پروژه هاى تحقیقاتى گرچه در ابتدا حالت تقلیدى و کتابخانه اى داشت، کم کم به مرحله علمى نزدیک مى شود و امید است، تحقیقات به معناى واقعى در کشور آموزش داده شود و جریان یابد.
اکنون مشکل بزرگ در برنامه دبیرستان ها وجود دارد. دانش آموزان به جاى آموختن روش حل مسیله به حفظ کردن پاسخ ها مى پردازند تا آنها را تحویل آزمون ها و کنکور دانشگاه دهند و به مدرک هاى بالاتر دست یابند. با توجه به آنکه مخاطبان سال جهانى فیزیک، دانش آموزان نیز هستند مى توان امیدوار بود که با نیروهاى مخلصى که در میان معلمان وجود دارد و نیز تشویق هایى که از طرف سازمان ها صورت مى گیرد و کارگاه هاى علمى که از سوى کشورهاى پیشرفته صنعتى در کشور تشکیل و اجرا مى شود، به هدف هاى مورد نظر دست یافت و روش علمى را در فعالیت هاى آموزشى و پژوهشى یاد گرفت و به کار برد.
نویسنده این نوشته تاکنون شاهد همایش ها و جلسه هاى متعددى بوده که از سوى دبیران فیزیک و انجمن هاى علمى تشکیل شده و دانش آموزان و دبیران به تهیه و عرضه مقاله هاى علمى و تولید نرم افزارهاى کامپیوترى و نیز ابزارهاى آزمایشگاهى و کارگاهى دست زده اند. همه این کارها به علاقه مندان این کشور امید مى دهد که جامعه علمى ما در حال بیدار شدن است. بیدارگران پرتلاش و پر امید به بیدار کردن خواب آلودگان مشغولند. گرچه برخى از سازمان ها و افراد هنوز در کار متوقف کردن جریان علمى در کشور هستند، اما در جامعه نه تنها زنگ ها بلکه ناقوس هاى بیدارى به صدا درآمده و هیچ فردى را فرصت و مهلت خوابیدن نمى دهد.
روزى که اینشتین رمق فکر کردن نداشت
اینشتین در نوجوانى علاقه چندانى به تحصیل نداشت. پدرش از خواندن گزارش هایى که آموزگاران درباره پسرش مى فرستادند، رنج مى برد. گزارش ها حاکى از آن بودند که آلبرت شاگردى کندذهن، غیرمعاشرتى و گوشه گیر است. در مدرسه او را «باباى کندذهنى» لقب داده بودند. او در ۱۵ سالگى ترک تحصیل کرد، در حالى که بعدها به خاطر تحقیقاتش جایزه نوبل گرفت!
شاید شما نیز این جملات را خوانده یا شنیده باشید و شاید این پرسش نیز ذهن شما را به خود مشغول کرده باشد که چگونه ممکن است شاگردى که از تحصیل و مدرسه فرارى بوده است، برنده جایزه نوبل و به عقیده برخى از دانشمندان، بزرگ ترین دانشمندى شود که تاکنون چشم به جهان گشوده است؟
با مطالعه دقیق تر زندگى این شاگرد دیروز، پاسخ مناسبى براى این پرسش پیدا خواهیم کرد. آلبرت بچه آرامى بود و والدینش فکر مى کردند که کندذهن است. او خیلى دیر زبان باز کرد، اما وقتى به حرف آمد، مثل بچه هاى دیگر «من من» نمى کرد و کلمه ها را در ذهنش مى ساخت. وقتى به سن چهار سالگى پاگذاشت، با بیلچه سر خواهر کوچکش را شکست و با این کار ثابت کرد که اگر بخواهد، مى تواند بچه ناآرامى باشد!
پدر و مادر آلبرت به بچه هاى کوچک خود استقلال مى دادند. آنان آلبرت چهارساله را تشویق مى کردند که راهش را در خیابان هاى حومه مونیخ پیدا کند. در پنج سالگى او را به مدرسه کاتولیک ها فرستادند. آن مدرسه با شیوه اى قدیمى اداره مى شد. آموزش از طریق تکرار بود. همه چیز با نظمى خشک تحمیل مى شد و هیچ اشتباهى بى تنبیه نمى ماند و آلبرت از هر چیزى که حالت زور و اجبار و جنبه اطاعت مطلق داشته باشد، متنفر بود. اغلب کسانى که درباره تنفر اینشتین از مدرسه، معلم و تحصیل نوشته اند، به نوع مدرسه، شیوه تدریس معلم و مطالبى که این دانش آموز باید فرا مى گرفت، کمتر اشاره کرده اند. بازخوانى یک واقعه مهم در زندگى اینشتین ما را با مدرسه محل تحصیل او آشناتر مى کند: روزى آلبرت مریض بود و در خانه استراحت مى کرد. پدرش به او قطب نماى کوچکى داد تا سرگرم باشد. اینشتین شیفته قطب نما شد. او قطب نما را به هر طرف که مى چرخاند، عقربه جهت شمال را نشان مى داد. آلبرت کوچولو به جاى این که مثل سایر بچه ها آن را بشکند و یا خراب کند، ساعت ها و روزها و هفته ها و ماه ها به نیروى اسرارآمیزى فکر مى کرد که باعث حرکت عقربه قطب نما مى شود. عموى آلبرت به او گفت که در فضا نیروى نادیدنى (مغناطیس) وجود دارد که عقربه را جابه جا مى کند. این کشف تاثیر عمیق و ماندگارى بر او گذاشت. در آن زمان، این پرسش براى آلبرت مطرح شد که چرا در مدرسه، چیز جالب و هیجان انگیزى مثل قطب نما به دانش آموزان نشان نمى دهند؟! از آن به بعد، تصمیم گرفت خودش چیزها را بررسى کند و به مطالعه آزاد مشغول شود. اینشتین ده ساله بود که در دبیرستان «لویت پولت» ثبت نام کرد. در آن موقع، علاقه بسیارى به ریاضى پیدا کرده بود. این علاقه را عمویش اکوب و یک دانشجوى جوان پزشکى به نام ماکس تالمود در وى ایجاد کرده بودند. تالمود هر پنجشنبه به خانه آنان مى آمد و درباره آخرین موضوعات علمى با آلبرت حرف مى زد. عمویش نیز او را با جبر آشنا کرده بود. اینشتین در دوازده سالگى از تالمود کتابى درباره هندسه هدیه گرفت. او بعدها آن کتاب را مهم ترین عامل دانشمند شدن خود عنوان کرد. با این که آلبرت در خانه چنین علاقه اى به ریاضیات و فیزیک نشان مى داد، در دبیرستان چندان درخششى نداشت. او در نظام خشک و کسل کننده دبیرستان، علاقه اش را به علوم از دست مى داد و نمراتش کمتر و کمتر مى شدند. بیشتر معلمانش معتقد بودند که او وقتش را تلف مى کند و چیزى یاد نمى گیرد. هرچند اینشتین به قصد این درس مى خواند که معلم شود نه فیزیکدان، اما از معلمان خود دل خوشى نداشت و از زورگویى آنان و حفظ کردن درس هاى دبیرستان، دل پرخونى داشت. از این رو، خود را به مریضى زد و با این حیله، مدتى از دبیرستان فرار کرد! چون معلم ها نیز از او دل خوشى نداشتند، شرایط را براى اخراج او از مدرسه فراهم کردند. اینشتین بعدها در این باره گفت: «فشارى که براى از بر کردن مطالب امتحانى بر من وارد مى آمد، چنان بود که بعد از گذراندن هر امتحان تا یک سال تمام، رمق فکر کردن به ساده ترین مسیله علمى را نداشتم!» اینشتین بعدها مجبور شد در دبیرستان دیگرى دیپلم خود را بگیرد و سرانجام با هزار بدبختى گواهینامه معلمى را دریافت کند. بعد از آن، مدتى معلم فیزیک در یک مدرسه فنى شد، اما چون روش هاى خشک تدریس را نمى پسندید، پیشنهادهایى در مورد تدریس به رییس مدرسه داد که پذیرفته نشدند و به این ترتیب بهانه اخراج خود را فراهم کرد.اینشتین پس از این واقعه، زندگى دانشجویى را برگزید و پس از فارغ التحصیلى، در اداره ثبت اختراعات به کار مشغول شد. او از کار کردن در این اداره راضى بود. عیب دستگاه هاى تازه اختراع شده را پیدا مى کرد و در ساعت ادارى، وقت کافى داشت تا به فیزیک فکر کند. در همین اداره بود که مقاله هاى متعددى نوشت و در مجلات معتبر منتشر کرد. جالب این که دانشمند بزرگ که با فرضیات خود انقلابى در جهان دانش به پا کرد، در شرایطى کار مى کرد که براى هر دانشمند دیگرى غیرممکن بود! او نه با فیزیکدان حرفه اى تماس داشت و نه به کتاب ها و مجلات علمى مورد نیاز دسترسى داشت. در فیزیک فقط به خود متکى بود و کس دیگرى را نداشت که به او تکیه کند! اکتشافات او چنان خلاف عرف بودند که به نظر فیزیکدانان حرفه اى، با شغلى که او به عنوان یک کارمند جزء در دفتر ثبت اختراعات داشت، سازگار نبودند.
-
طرز کار موتور موشک های فضایی
مقدمه:
یکی از عجیب ترین کشفیات انسان دسترسی به فضا است که پیچیدگی و مشکلات خاص خود را دارد. راه یابی به فضا پیچیده است، چرا که باید با بسیاری از مشکلات روبرو شد. مثلا:
- وجود خلا در فضا
- مشکلات گرما و حرارت
- مشکل ورود مجدد به زمین
- مکانیک مدارها
- ذرات و باقی مانده های فضا
- تابش های کیهانی و خورشیدی
- طراحی امکانات برای ثابت نگه داشتن اشیا در بی وزنی
ولی بزرگترین مشکل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از زمین است که برای درک این موضوع باید به بررسی طرز کار موتورهای موشک پرداخت.
در یک دیدگاه ساده، می توان موتورهای موشک را به آسانی و با هزینه ای نسبتا کم طراحی کرد و حتی آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهیم مسیله را در سطح کلان بررسی کنیم با مشکلات و پیچیدگی های بسیاری مواجه هستیم و این موتورهای موشک (و به خصوص سیستم سوخت آن ها) آنقدر پیچیده است که تا به حال تنها سه کشور توانسته اند با استفاده از این فناوری انسان را در مدار زمین قرار دهند.
در این مقاله ما موتورهای موشک های فضایی را مورد بررسی قرار می دهیم تا با طرز کار و پیچیدگی های آن ها آشنا شویم.
نکات پایه ای:
عموما وقتی کسی درباره موتورها فکر می کند، خود به خود مطالبی درباره چرخش برایش تداعی می شود.برای مثال حرکت متناوب پیستون در موتور بنزینی که انرژی چرخشی برای به حرکت در آوردن چرخ ها را تولید می کند. و یا موتور الکتریکی که با تولید میدان الکتریکی که با تولید میدان مغناطیسی نیروی چرخشی برای پنکه یا سی دی رام تولید می کنند. موتور بخار هم به طور مشابه کار می کنند.
ولی موتور موشک از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشک ها موتورهای واکنشی هستند.اساس کار موتور موشک برپایه ی قانون معروف نیوتون است که می گوید: “برای هر کنش واکنشی وجود دارد به مقدار مساوی ولی درجهت مخالف آن”. موتور موشک نیز جرم را در یک جهت پرتاب می کند و از واکنش آن در جهت مخالف سود می برد.
البته تصور این اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واکنش) ممکن است در ابتدا کمی عجیب به نظر بیاید، چرا که در عمل بسیار متفاوت می نمایاند. انفجار، صدا و فشار چیزهایی است که در ظاهر باعث حرکت موشک می شود و نه “پرتاب جرم”.
بگذارید تا با بیان چند مثال تصویری بهتر از واقعیت را روشن کنم:
● اگر تا به حال با اسلحه ی(به خصوص سایز بزرگ آن) shotgun شلیک کرده باشید، متوجه می شوید که ضربه ی بسیار قوی ای، با نیروی بسیار زیاد به شانه شما وارد می کند.
یک اسلحه مقدار ۱ انس فلز را به یک جهت و با سرعت ۷۰۰ مایل در ساعت شلیک می کند و در واکنش شما را به عقب حرکت می دهد.
● اگر تا به حال شیر آتش نشانی را دیده باشید، متوجه می شوید که برای نگه داشتن آن باید نیروی بسیار زیادی را صرف کنید (اگر دقت کرده باشید گاهی ۲ یا ۳ آتش نشان یک شیر را نگه می دارند) که در این جا شیر آتش نشانی مثل موتور موشک عمل می کند.
شیر آتش نشانی، آب را در یک جهت پرتاب میکند و آتش نشان ها از نیرو و وزن خود استفاده می کنند تا در برابر واکنش آن مقاومت کنند. اگر آن ها اجازه بدهند تا شیر رها شود، شیر به این طرف و آن طرف پرتاب می شود.
حال اگر آتش نشان ها روی یک اسکیت برد ایستاده باشند شیر آتش فشانی آن ها را با سرعت زیادی به عقب می راند.
● اگر یک بادکنک را باد کنید و آن را رها کنید، بادکنک به پرواز در می آید، تا وقتی که هوای داخل آن به طور کامل خالی شود. پس می توان گفت که شما یکم موتور موشک ساخته اید. در این جا چیزی که به بیرون پرتاب می شود مولکول های هوای درون بادکنک هستند.
بسیاری از مردم فکر می کنند که مولکول های هوا اهمیتی ندارند، در حالی که اینطور نیست. هنگامی که شما به آن ها اجازه می دهید تا از دریچه بادکنک به بیرون پرتاب شوند، بر اثر واکنش به وجود آمده بادکنک به جهت مخالف پرتاب می شود.
در ادامه برای درک بهتر موضوع، به مثالی دقیق تر اشاره می کنم:
● سناریوی توپ بیسبال در فضا:
شرایط زیر را تصور کنید،
مثلا شما لباس فضانوردان را پوشیده اید و در فضا در کنار فضاپیما معلق مانده اید و چندین توپ بیسبال در دست دارید. حال اگر شما توپ بیسبال را پرتاب کنید، واکنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حرکت می دهد.
سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگی دارد. همانطور که می دانیم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نیرو است، یعنی:
F=m.a
همچنین میدانیم که هر نیرویی که شما به توپ وارد کنید، توپ نیز نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف به بدن شما وارد میکند که همان واکنش است. پس می توان گفت:
m.a=m.a
حال فرض می کنیم که توپ بیسبال ۱ کیلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضایی هم ۱۰۰ کیلوگرم باشد. پس با این حساب اگر شما توپ بیسبال را با سرعت ۲۱ متر در ساعت پرتاب کنید. یعنی شما با دست خود به یک توپ بیسبال ۱ کیلو گرمی، شتابی وارد کرده اید که سرعت ۲۱ متر در ساعت گرفته است. واکنش آن روی بدن شما تاثیر می گذارد، ولی وزن بدن شما ۱۰۰ برابر توپ بیسبال است. پس بدن شما با ۱۰۰/۱ سرعت توپ بیسبال (یا ۰.۲۱ متر بر ساعت) به عقب حرکت می کند.
حال اگر شما می خواهید از توپ بیسبال خود قدرت بیش تری بگیرید، شما دو انتخاب دارید: افزایش جرم یا افزایش شتاب وارده
شما می توانید یا یک توپ سنگین تر پرتاب کنید و یا اینکه شما می توانید توپ بیسبال را سریع تر پرتاب کنید (شتاب آن را افزایش دهید)، و این دو تنها کارهایی است که می توانید انجام دهید.
یک موتور موشک نیز به طور کلی جرم را در قالب گازهای پرفشار پرتاب می کند؛ موتور گاز را در یک جهت به بیرون پرتاب می کند تا از واکنش آن در جهت مخالف سود ببرد. این جرم از مقدار سوختی که در موتور موشک می سوزد بدست می آید.
عملیات سوختن به سوخت شتاب می دهد تا از دهانه خروجی موشک با سرعت زیاد بیرون بیاید.
وقتی سوخت جامد یا مایع می سوزد و به گاز تبدیل می شود، جرم آن تغییر نمی کند بلکه تغییر در حجم آن است. یعنی اگر شما مقدار یک کیلو سوخت مایع موشک را بسوزانید مقدار یک کیلو جرم با حجمی بیشتر، از دهانه خروجی موشک با دمای بالا و سرعت زیاد خارج می شود. عملیات سوختن، جرم را شتاب می دهد.
بیایید تا بیش تر درباره ی نیروی پرتاب بدانیم:
نیروی پرتاب:
قدرت موتور یک موشک را نیروی پرتاب آن می گویند. نیروی پرتاب در آمریکا به صورت
(پوند) ponds of thrust
و در سیستم متریک با واحد نیوتون شناخته شده است (هر ۴.۴۵ نیوتون نیروی پرتاب برابر است با ۱ پوند نیروی پرتاب).
هر یک پوند نیروی پرتاب (۴.۴۵ نیوتون) مقدار نیروی است که می تواند یک شی ۱ پوندی (۴۵۳.۵۹ گرم) را در حالت ساکن مخالف نیروی جاذبه زمین نگه دارد.
بنابر این در روی زمین شتاب جاذبه ۲۱ متر در ساعت در ثانیه (۳۲ فوت در ثانیه در ثانیه) است.
-
فناوری نانو
۱. پزشکی و بدن انسان:
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستم‌های زنده را اداره میکند. یعنی مقیاسی که شیمی]، فیزیک، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
* فراتر از سهل‌شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می‌تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو(Drug Delivery) تهیه کند، که به‌نحو حیرت‌انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می‌دهد.
* مواد زیست‌سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعّال، می‌توان برای اعمال نقش تشخیصی(مثل ذرات کوانتومی که برای مریی‌سازی بکار می‌رود) درون سلو‌ل‌ها وارد نمود.
* افزایش توان محاسباتی به‌وسیله نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه‌های ماکرومولکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌سازد. اینگونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاشته‌شده زیست‌سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.
۱. دوام‌پذیری منابع: کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:
نانوتکنولوژی منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فنّاوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد؛ در ایجاد و درمان مسایل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها؛ در توسعه فنّاوری‌های “سبز” جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگ‌تر را دارد.
در زمینه انرژی، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکتهای مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند که می‌تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل‌ها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند سالیانه ۵٬۱ میلیارد لیتر صرفه‌جویی مصرف بنزین به همراه داشته‌باشد.
همچنین انتظار می‌رود تغییرات عمده‌ای در فنّاوری روشنایی در ۱۰ سال آینده رخ دهد. می‌توان نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در دیودهای نورانی(LED ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در امریکا، تقریبا” ۲۰% کل برق تولیدی، صرف روشنایی(چه لامپ‌های التهابی معمولی و چه فلویورسنت) میشود. مطابق پیش‌بینی‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفت‌هایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی و ۲۰۰ میلیون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت.
۱. هوا و فضا:
محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریت‌های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آورده‌است.
“نانوساختن”(Nanofabrication) همچنین در طرّاحی و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنیاز برای هواپیماها، راکت‌ها، ایستگاههای فضایی و سکّوهای اکتشافی سیّاره‌ای یا خورشیدی، تعیین‌کننده است. همچنین استفاده روزافزون از سیستم‌های کوچک‌شده تمام خودکار، منجر به پیشرفت‌های شگرفی در فنّاوری ساخت و تولید خواهدشد. این مسأله با توجه به اینکه محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستم‌های نانو –که ساخت آنها در زمین ممکن نیست- در فضا خواهدشد.
۱. امنیت ملّی:
برخی کاربردهای دفاعی نانوتکنولوژی عبارت‌اند از: تسلط اطّلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته به‌عنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش مؤثّرتر نیرو، به کمک سیستم‌های واقعیت مجازی پیچیده‌تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به کارآیی بالاتر(وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه‌های نظامی و در عین‌حال تعداد دفعات نقص فنّی کمتر و هزینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ای، بهبود طرّاحی در سیستم‌های مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاح‌های هسته‌ای، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم‌های دفاع هسته‌ای. در بسیاری موارد، فرصت‌های اقتصادی و نظامی مکمّل هم هستند. کاربردهای دراز مدت نانوتکنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملّی است و بالعکس.
۱. کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک
ذخیره‌سازی اطلاعات در مقیاس فوقالعاده کوچک: با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش داد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد، و این امر موجب ذخیره سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری میشود. ساخت تراشه‌ها در اندازههای فوقالعاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازههای ۳۲ تا ۹۰ نانومتر، تولید دیسک‌های نوری ۱۰۰ گیگابایتی در اندازههای کوچک نیز میباشد.
۱. شکل‌گیری بازارهای بسیار بزرگ
شواهد موجود نشان می‌دهد که درصد بالایی از بازارهای محصولات مختلف متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود و به همین دلیل دولت‌ها و شرکتهای بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکو، رییس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست‌جمهوری آمریکا طی مقاله‌ای در ماه می‌‌سال ۲۰۰۱، پتانسیل نانوتکنولوژی برای تغییر چشمگیر در اقتصاد جهانی را یادآوری نموده است. بر مبنای پیش‌بینی وی و بخش دیگری از صاحب‌نظران در ده الی ۱۵ سال آینده نانوتکنولوژی بازار نیمه‌هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد. خبرهایی نیز که اخیراً از شرکتهای اصلی سازنده پردازنده‌های کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از ۱۰ سال آینده حکایت دارد. به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده است که در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمتر نسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمه‌هادی‌ها وارد بازار خواهد کرد.
در بخش دارو نیز پیش‌بینی شده است تا ۱۰ الی ۱۵ سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزشهای پزشکی روزآمد خواهد داشت یا در مورد موادشیمیایی، فقط ذکر بازار ۱۰۰ میلیارد دلاری کاتالیست‌ها که تا ۱۰ سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیست‌های نانوساختاری خواهد بود، برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است. از هم‌اکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکل‌گیری است. موادی که می‌توانند خواص جدید و فوق‌العاده‌ای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌های کربنی(Carbon NanoTubes) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تأثیر قرار خواهد داد.
در کنار این پیش‌بینی‌ها، این سؤال باید مطرح شود که جایگاه کشورهایی که به نانوتکنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود. با توجه به اینکه سهم هر کشور یا بنگاه در زمان شکل‌گیری یک بازار تثبیت میشود، زمان سرمایه‌گذاری برای رسیدن به جایگاه مناسب، همین امروز است.
شاخه‌های اصلی
در دسته‌بندی علوم نانویی، همچنان مسایل حل نشدهٔ زیادی وجود دارد. اما شاخه‌هایی که در زیر آورده شده‌اند، اساس نانو تکنولوژی را تشکیل می‌دهند:
* نانو روکش‌ها
* نانو مواد
o نانو پودرها
o نانو لوله‌ها(نانو تیوب‌ها)
o نانو کامپوزیت‌ها
* مهندسی مولکولی
o موتورهای مولکولی(نانو ماشین‌ها)
* نانو الکترونیک
o نانو سنسورها
o نانو ترانزیستورها
زمینه‌های کاربرد
علم مواد، شیمی و علوم مهندسی
-
آهنربا چیست؟
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
به اشیایی که میدان مغناطیسی تولید کنند، آهنرُبا گفته میشود.
معنای لغوی
آهنربا از دو بخش آهن و -ربا از فعل ربودن تشکیل شده. کاربرد واژه‌هایی مانند آهنربا و کهربا در فارسی پیشینه طولانی دارد.
برابر اروپایی آن: اولین شرح مغناطش به یونانیان قدیم باز میگردد که این اسم را به مغناطیس دادند. این اسم از مگنزیا که نام یک دهکده‌ی یونانی است، مشتق شده‌است. از لحاظ لغوی Magnet به معنی «سنگی از مگنزیا» است. این سنگ حاوی مگنتیت (Fe۲O۳) بود و هنگام مالش آن به آهن، آن را آهنربا می‌کرد.
تاریخچه
تلاش جدی برای استفاده از قدرت پنهان مواد مغناطیسی بسیار پس از کشف آن انجام شد. به عنوان مثال در قرن ۱۸ام با ادغام تکه‌های کوچک مواد مغناطیسی تکه‌ی بزرگتری بدست آمد که مشخص شد توانایی بلند کردن قابل توجهی دارد.
پس از اینکه اورستد در سال ۱۸۲۰ کشف کرد که جریان الکتریکی می‌تواند میدان مغناطیسی به وجود آورد، پیشرفت‌های زیادی در این زمینه حاصل شد. استورگن دانش خودش را با موفقیت برای ساخت اولین آهنربای الکتریکی در سال ۱۸۲۵ بکار برد. با اینکه دانشمندان زیادی (از قبیل گاوس، ماکسول و فارادی) با این پدیده از دیدگاه تیوریک درگیر شدند، اما توصیف درست مواد مغناطیسی به فیزیکدانان قرن ۲۰ ام نسبت داده میشود.
کیوری و ویس در شفاف‌سازی پدیده‌ی مغناطش دایمی و وابستگی دمایی آن موفق بودند. ویس فرضیه‌ی وجود حوزه‌های مغناطیسی را مطرح کرد تا توضیح دهد که مواد چگونه می‌توانند آهنربا شده یا خاصیت مغناطیسی کل آنها صفر شود.
جزییات خواص دیواره‌های این حوزه‌های مغناطیسی توسط بلوچ، لاندو و نیل بررسی شد.
کاربرد
مواد مغناطیسی جزء جدانشدنی فناوری مدرن هستند. آهنرباها یکی از اجزای مهم بسیاری از وسایل الکترونیکی و الکترومکانیکی هستند. کاربرد عمده‌ی آهنرباهای دایم در تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس است. (مانند موتورهای الکتریکی و ژنراتورها) مغناطیس‌ها همچنین در حافظه‌های مغناطیسی (صفحات هارد دیسک و فلاپی‌دیسک‌ها و کارت‌های پلاستیکی حافظه)
