آینه تخت

دید کلی

آینه‌های معمولی را که سطح آنها مسطح است، آینه تخت می‌نامند. در واقع این آینه‌ها شیشه‌هایی هستند که یک طرف آنها جیوه‌اندود شده است. هنگامی که روبروی آینه‌ای می‌ایستید، خودتان را در آینه می‌بینید، یا اگر تصاویر اطراف آب ، در آب قابل مشاهده است، به این علت است که از سطح آینه یا آب نورها بازتاب پیدا می‌کنند و به چشم می‌رسند. آنچه در آینه دیده می‌شود، تصویر شی مقابل آینه است. آیا تاکنون تصویر درختان یا منظره‌های اطراف یک استخر آب را در سطح آب مشاهده کرده‌اید؟

چگونگی تشکیل تصویر در آینه تخت

هنگامی که یک شی که در روشنایی واقع است، در مقابل آینه تخت قرار می‌گیرد، از هر نقطه جسم پرتوهای نور به آینه می‌تابند. این پرتوها پس از بازتاب از آینه به چشم می‌رسند، مثل اینکه پرتوها از نقطه‌ای که در پشت آینه واقع است، به چشم می‌رسند. این نقطه همان نقطه تقاطعی است که در آن امتداد پرتوهای بازتابشی به چشم ، در پشت آینه ، به هم می‌رسند و آن نقطه ، تصویر نقطه‌ای نقطه انتخاب شده از جسم نامیده می‌شود. به این ترتیب می‌توانیم تصویر هر نقطه دیگری از جسم را به کمک حداقل دو پرتو که از آن نقطه به آینه می‌تابند، مشخص کنیم.

ویژگی تصویر در آینه تخت

• اگر واقعا در پشت آینه نقطه نورانی وجود داشت و پرتوهایی از آن به چشم می‌رسید، آن پرتوها مانند پرتوهایی بودند که از سطح آینه به چشم رسیده‌اند. به همین سبب انسان تصور می‌کند نقطه نورانی جسم در پشت آینه است. نقطه نورانی پشت آینه تصویر مجازی جسم نامیده می‌شود. تصویر مجازی از برخورد امتداد پرتوهای بازتاب حاصل می‌شود.
  
  
• در آینه تخت طول تصویر با طول شی برابر است.
  
  
• تصویر در آینه تخت نسبت به جسم ، مستقیم است.
  
  
• تصویر در آینه تخت دارای وارونی جانبی است، بطوری که اگر کتابی را در مقابل آینه قرار دهید، نوشته‌های کتاب که قبلا از راست به چپ قابل خواندن بود، اکنون از چپ به راست قابل خواندن است.

دوران آینه تخت

اگر شعاع تابش ثابت بماند و آینه را حول محوری واقع در سطح آن به اندازه α دوران دهیم، شعاع بازتابش به اندازه 2α دوران می‌کند.

انتقال آینه

• اگر آینه تخت به موازات سطح خود به اندازه L منتقل شود، تصویر به اندازه 2L منتقل می‌شود.
  
  
• اگر آینه‌ای با سرعت V به جسمی نزدیک یا از آن دور شود، تصویر با سرعت 2V به جسم نزدیک یا از جسم دور می‌شود.
  
  
• اگر جسم با سرعت ^'V به آینه نزدیک یا از آن دور شود، تصویر با سرعت ^'2V به جسم نزدیک یا از جسم دور می‌شود.
  
  
• اگر جسم با سرعت ^'V به آینه نزدیک یا از آینه دور شود، تصویر با سرعت ^'V نسبت به جای اولیه خود نسبت به آینه حرکت می‌کند، ولی با سرعت ^'2V نسبت به جسم حرکت می‌کند.

آزمایش

یک شیشه را بطور ایستاده روی میز نصب کنید. دو شمع مشابه را در طرفین شیشه قرار دهید. پس از آنکه یکی از شمعها را روشن کردید، از طرف شمع روشن به شیشه نگاه کنید. شمع خاموش و تصویر شمع روشن را در شیشه خواهید دید. شمع روشن را جابجا کنید، با این کار تصویر آن جابجا خواهد شد.

این شمع را آنقدر جابجا کنید تا تصویر شمع روشن بر شمع خاموش منطبق شود، در این صورت در شیشه فقط یک شمع و آن هم روشن دیده می‌شود. اگر فاصله بین هر کدام از شمع‌ها تا شیشه را اندازه بگیرید، با هم برابر خواهند بود، گویی جسمی را در مقابل آینه قرار داده‌اید و تصویر آن در فاصله‌ای برابر در پشت آینه تشکیل شده است.

آینه‌های شلجمی

دید کلی

ستاره شناسان برای اینکه نور ضعیف ستارگان دور را در تلسکوپها متمرکز کنند، از آینه‌های بزرگی بهره می‌گیرند و به این ترتیب می‌توانند بر صفحه‌های عکاسی تصویر ستارگانی را که با چشم غیر مسلح دیده نمی‌شوند ایجاد کنند. چه نوع آینه‌ای این توانایی تمرکز نور را دارد؟ این آینه‌ها را چگونه می‌توان ایجاد کرد؟

آینه‌های تخت و آینه‌های سهموی

با آینه تخت نمی‌توان نور را متمرکز کرد. زیرا نور همواره واگرا می‌شود و به نظر می‌رسد از تصوری مجازی پشت آینه می‌آید. ولی با استفاده از چندین آینه تخت ، می‌توان چندین شعاع باریک ناشی از یک چشمه را در ناحیه کوچکی از فضا باهم قطع داد. برای صراحت ، فرض کنید که چشمه خیلی دور باشد، مثلا یک ستاره و بنابراین شعاعهای نوری که از آن به آینه‌ها می‌رسند تقریبا موازیند.

هر چه چشمه دورتر باشد، زاویه بین شعاعهای نوری کوچکتر است، بطوری که همه شعاعهای نوری که از یک ستاره به زمین می‌رسند، عملا موازیند. در یک نمونه بیست و پنج آینه تخت که با زاویه‌های اندکی متفاوت کج شده‌اند، چنان آرایش یافته‌اند که نور موازی را طوری بازی می‌تابانند که از ناحیه کوچک واحد بگذرد.

این ناحیه را می‌بینیم، زیرا دود موجود در آنجا مقداری از نور شعاعهای متقاطع را پراکنده می‌کند. نواحی دیگر نیز با همان مقدار دود پر شده است، ولی چون شعاعهای نوری در این نواحی کمترند، تاریکتر به نظر می‌آیند. شعاعهای نوری از ناحیه کوچک همپوشانی می‌گذرند و سپس از هم واگرا می‌شوند.

افزایش قدرت همکانونی

اگر آینه‌های بیشتر و کوچکتری را بکار گیریم، مثلا هر یک از بیست و پنج آینه خود را به چهار قسمت تقسیم کنیم، می‌توانیم نور بیشتری را متمرکز کنیم. در این صورت هر شعاع نوری فقط یک چهارم سطح مقطع قبلی را خواهد داشت و ما می‌توانیم آنرا در ناحیه کوچکتری متمرکز کنیم. حال می‌توان با تقسیم آینه‌ها ، آنها را باز هم کوچکتر کرد. در این صورت ناحیه همپوشانی باز هم کوچکتر می‌شود. عمل تقسیم آینه‌ها را ادامه می‌دهیم و آنها را تا جایی که ممکن است کوچک می‌کنیم، ولی آنها همان مقدار نور را جدا می‌کنند که بیست و پنج آینه اصلی جدا می‌کردند. آنها همان مقدار نور را بازتاب می‌دهند و همه را به نقطه کوچک واحدی می‌فرستند.

ساخت آینه‌های شلجمی (سهموی)

ساختن آینه‌ای که نور باریکه پرتوهای موازی پهن را ، با تقسیم کردن متوالی و میزان کردن ستمگیری آینه‌های تخت ، در نقطه واحدی کانونی کند بطور نظری آسان ، ولی عملا مشکل است. به هر حال روش کار را با متمرکز کردن نور موازی روی یک خط به جای یک نقطه بسادگی می‌توان شرح داد. به آسانی می‌توان فرآیندهای مشابهی را تصور کرد که در فضا صورت می‌گیرند و نقطه واحدی را ایجاد می‌کنند.

وقتی آینه‌های تخت را در فضا به اجزا کوچکتری تقسیم کنیم و دوباره آنها را جهت دهیم، با تقریبا بیشتر و بیشتری آینه‌ای را که سطح خمیده پیوسته‌ای دارد خواهیم داشت. می‌توان تصور کرد که ادامه این فرآیِند بطور نامحدود ، آینه‌ای همواره بدست خواهد داد که نور موازی را کانونی می‌کند. شکل سطح هموار (که سهمیوار دوار یا آینه سهموی نامیده می‌شود) دقیقا با این روش تصویری معین می‌شود.

پارامترهای آینه سهموی

کلمه F که تمام نور بازتابیده در آن همگرا می شود کانون اصلی آینه سهموی است و فاصله‌اش از مرکز آینه ، طول کانونی یا فاصله کانونی نامیده می شود. دانستن فاصله کانونی اهمیت دارد و ما آن را با حرف کوچک f نشان می دهیم. در شکل زیر مقطعی نشان داده شده است که از کانون اصلی می‌گذرد و با راستای نور خروی موازی است. هر پرتوی که ترسیم شده است، مشخص می‌کند که نور چگونه بازتابیده می‌شود.

این پرتوها بنابر کانونهای بازتاب ، در صفحه شکل باقی می‌مانند و زاویه بازتاب هر پرتو مساوی زاویه خروجی است. منحنی نشان داده شده ، که مقطع آینه سهموی با صفحه شکل است، سهمی نامیده می‌شود. سطح آینه سهمیوار دوار نامیده می‌شود، زیرا با دوران سهمی شکل مقابل حول پرتو فرودی که از کانون اصلی F می گذرد بوجود می‌آید. این پرتوی فرودی که از کانون اصلی می‌گذرد و در موقع بازتاب از آن عبور می‌کند، محور دوران سهمیوار نامیده می‌شود.

کاربرد آینه‌های شلجمی (سهموی)

دیدیم که تمام نوری که در راستای موازی محور بر آینه سهموی فرد می آِید چنان بازتابیده می‌شود که از کانون اصلی می‌گذرد. چون نور می‌تواند در هر راستای معین در هر یک از دو جهت حرکت کند. با قرار دادن یک چشمه نوری کوچک و قوی در کانون اصلی آینه سهموی می‌توان جای پرتوهای فرودی و بازتابی را باهم عوض کرد. پس نتیجه می‌شود هر نوری که از کانون اصلی شروع شود، پس از بازتاب موازی با محور آینه حرکت خواهد کرد.

نورافکنها و برخی فلاشها بر این اساس ساخته شده‌اند. همچنین لامپ جلو ماشین همینطور عمل می‌کند، یعنی لامپ در کانون آینه شلجمی قرار داده می‌شود و سپس پرتوهای خروجی موازی باهم از آن خارج می‌شوند. تمام نوری که از چشمه با سطح سهموی برخورد می‌کنند در مسیرهای موازی به طرف خارج حرکت می‌کنند و باریکه پر شدتی تشکیل می‌دهد که تا فاصله‌های زیاد در فضا نفوذ می‌کند.

آستیگماتیسم

هرگاه‌ ابیراهی کروی و کما برای یک عدسی اصلاح شود (حالت آپلانتیک) ولی عدسی قادر نباشد که تصویر شیئی که ‌از محور فاصله دارد را بطور واضح نمایان کند، به عبارتی تصویر مبهم نمایان سازد، گفته می‌شود که عدسی دچار آستیگماتیسم (Astigmatism) شده ‌است. تصاویر مبهم حاصل از آن را تصاویر آستیگماتیکی می‌نامند. با افزایش فاصله خارج از محور جسم و افزایش دهانه سطح شکستی آستیگماتیسم افزایش می‌یابد.

دید کلی

بسیاری از افراد به همراه نزدیک بینی درجاتی از آستیگماتیسم یا حالت بیضی بودن قرنیه را دارند. آستیگماتیسم وقتی ایجاد می‏شود که قرنیه شبیه مقطعی از توپ بیس‏بال است تا توپ بسکتبال. در نتیجه تصاویر بدلیل انکسار نامساوی در قسمتهای مختلف قرنیه کاملا بر روی شبکیه متمرکز نمی‏شوند و تصاویر چه دور و چه نزدیک تار می‏شوند. بنابراین افرادی که دچار درجات بالایی از آستیگماتیسم هستند نه تنها همانند افراد نزدیک ‏بین اشیای دور را تار می‏بینند، بلکه اشیای نزدیک را هم تار می‏بینند. بنابرین آستیگماتیسم هم به تنهایی و نیز همراه با نزدیک بینی یا دوربینی می‌تواند دیده ‌شود.

آستیگماتیسم از چه چیزی ناشی می‌شود؟

هنگامی‌ که نور از یک نقطه خارج از محور به سطح عدسی برخورد می‌کند، تولید یک دسته پرتو مماسی 'tt و یک دسته پرتو کمانی 'ss می‌کند. چون این دو دسته پرتو عمود برهم ، باعث کانونی شدن پرتوها در فواصل مختلف از عدسی می‌شوند، دو تصویر که به ترتیب با T و S برای صفحات مماسی و کمانی نشان داده شده‌اند، تصاویر خطی خواهند بود. بین T و S کانون دایره‌ای خواهد بود که به نام دایره با کمترین ماتی خوانده می‌شود. مکان هندسی تصاویر خطی T و S برای نقاط مختلف جسم سطوح سهموی خواهد بود.

مقدار آستیگماتیسم

جدایی بین دو سطح در امتداد هر پرتو اصلی از یک جسم نقطه‌ای معیاری از مقدار آسیگماتیسم را برای این جسم بدست می‌دهد که با مربع فاصله ‌از محور نوری متناسب می‌باشد. اندازه‏ گیری آستیگماتیسم بر اساس دیوپتر است. آستیگماتیسم بصورت زیر طبقه بندی می‌شود:

• آستیگماتیسم خفیف: کمتر از یک دیوپتر
• آستیگماتیسم متوسط: یک تا دو دیوپتر
• آستیگماتیسم شدید: دو تا سه دیوپتر
• آستیگماتیسم بسیار شدید: بیش از سه دیوپتر

انواع آسیگماتیسم

آستیگماتیسم انواع مختلفی دارد و می‏تواند به تنهایی، همراه با نزدیک بینی یا دوربینی وجود داشته باشد.

آستیگماتیسم مثبت

هرگاه سطح تصویر خطی T ناشی از پرتو مماسی در سمت چپ تصویر خطی S ناشی از پرتو عمودی باشد، آستیگماتیسم را مثبت می‌نامند.

آستیگماتیسم منفی

هرگاه تصویر خطی T ناشی از پرتو مماسی در سمت راست سطح تصویر خطی ناشی از پرتو عمودی بیافتد، آستیگماتیسم را منفی می‌نامند.

چگونه می‌توان دستگاهی ساخت که فاقد آستیگماتیسم باشد؟

آستیگماتیسم با فاصله کانونی متناسب است و با تغییر شکل بهبود بسیار اندکی می‌یابد. با آنکه یک عدسی دوتایی مماس مرکب از یک عدسی مثبت و یک عدسی منفی دارای آستیگماتیسم چشم‌ گیری است، ورود یک قطعه دیگر متشکل از یک بند یا یک عدسی می‌تواند آن را بسیار کاهش دهد. با فاصله گذاری مناسب مابین هر یک از عدسی‌های هر سیستم اپتیکی و یا با مکان‌یابی مناسب برای روزنه (دیافراگم) اگر بکار آید، می‌توان انحنای سطوح تصویری آستیگماتیک را بطور محسوسی تغییر داد. بعد از اصلاح آستیگماتیسم دو سطح سهموی T و S روی هم می‌افتند که به ‌این سطح پتزوال گفته می‌شود.

رفع آستیگماتیسم در چشم

در برخی از سیستمهای اپتیکی به ‌انضمام چشم ، حتی پرتوهای نزدیک به محور هم دچار آستیگماتیسم می‌شوند، زیرا سطح عدسی کروی نیست و بنابراین دارای قدرتهای مختلف در جهات مختلف است، وضعیت به گونه‌ای است که یک عدسی استوانه‌ای در تماس با یک عدسی کروی ساخته شده باشد. در مورد سیستمهای روئیتی یک متخصص چشم پزشکی آستیگماتیسم چشم را بوسیله عینکهایی که قدرت اضافی عدسی استوانه‌ای را با کاهش توان عدسی در آن جهت جبران می‌کنند، اصلاح می‌کند. در سایر موارد آستیگماتیسم می‌تواند سودمند باشد و عمدا در سیستم طراحی می‌شوند تا نشانه‌ای برای یک موضع آشکارساز نسبت به کانون تولید کند. سیستمهایی که در برگیرنده قدرتهای استوانه‌ای هستند، سیستمهای آن آمورفیک (نابی‌ریخت) نامیده می‌شوند. افراد اصلاح شده به علت بزرگنمایی یا کوچکنمایی محوری ایجاد شده اشیاء واقع در میدان بینایی را کشیده‌تر خواهند دید.

ابیراهی کروی

نارسایی یک عدسی در رساندن پرتوهای محوری از یک نقطه شی به نقطه متناظرش در فضای تصویر ابیراهی کروی نامیده می‌شود. هنگام شکست نور در سطح کروی پخشیدگی یا کدری تصویر روی می‌دهد و چون عدسی از چنین سطوح کروی تشکیل شده است، این ابیراهی در عدسی نیز روی می‌دهد.

از آنجا که بسیاری از عدسی‌های بکار رفته در ابزار اپتیکی برای متمرکز کردن پرتوهای موازی فرودی یا خروجی بکار می‌رود، برای اهداف مقایسه‌ای معمول است که ابیراهی پرتوهای موازی ورودی را تعیین می‌کنند.

ابیراهی کروی از چه چیزی ناشی می‌شود؟

ابیراهی کروی به فاصله پرتو از محور اصلی بستگی ندارد، بلکه برای اجسام و تصاویر محوری نقطه‌ای هم وجود دارد. نقطه تصویر پیرامحوری با نقاط تصویر محوری که از شکست پرتوها از دهانه‌های بزرگتر عدسی است، متفاوت می‌باشد. این ابیراهی حتی زمانی که جسم در بینهایت قرار دارد، مشاهده می‌شود و به این علت است که هر کدام از سطوح ، شکست مساوی ندارند. در نتیجه بعد از شکست ، سطحی در فاصله میان کانون پرتو پیرامحوری و کانون پرتو کناری ایجاد می‌کنند.

انواع ابیراهی کروی

ابیراهی کروی طولی

پرتوهایی که نزدیک به محور اصلی به عدسی می‌رسند، بعد از شکست در نقطه دورتری از عدسی جمع می‌شوند، در صورتی‌که پرتوهای دور از محور اصلی به علت شکست بیشتر در فاصله نزدیکتری به عدسی ، جمع می‌شوند. اختلاف بین این دو حالت روی محور اصلی ، ابیراهی کروی طولی نامیده می‌شود.

ابیراهی کروی عرضی

اگر امتداد پرتوهای شکست یافته از عدسی را که در دو نقطه متفاوت جمع شده‌اند، در نظر بگیریم، بر روی صفحه کانونی پیرامحوری که از محل دورترین نقطه‌ای که پرتوها جمع شده‌اند، می‌گذرد، اختلاف ارتفاع خواهیم داشت. به عبارتی این دو امتداد صفحه کانونی پیرامحوری را در دو نقطه متفاوت قطع می‌کند، اختلاف بین این دو مقدار تحت عنوان ابیراهی کروی عرضی مطرح می‌شود.

چگونه می‌توان دستگاهی ساخت که فاقد ابیراهی کروی باشد؟

در دستگاه‌های نوری اغلب از عدسی‌های تخت_کوژ که سمت کوژ آن بسوی پرتوهای ورودی موازی هستند، برای کاهش ابیراهی کروی استفاده می‌شود و کمینه ابیراهی کروی در شرایطی رخ می‌دهد که از هر کدام از سطوح شکست مساوی انجام شود.

هرگاه عدسی‌ها را به صورت ترکیبی بکار ببریم، احتمال رفع ابیراهی کروی به واسطه این واقعیت که عدسی‌های مثبت و منفی ایجاد ابیراهی مخالف می‌‌کنند، بیشتر می‌شود. کاربرد این روش در عدسی‌های دوتایی چسبیده به هم است و آینه‌های شلجمی‌ یا آینه‌های کروی مجهز به تیغه‌های ورودی شکست فاقد ابیراهی کروی هستند

ابیراهی کما

کما از ترکیب حروف اول «Cometlike appearance» به معنی «صورت ظاهر ستاره دنباله‌دار مانند» یک نقطه شیئی خارج از محور عدسی استخراج شده ‌است. اگر جسمی که می‌خواهیم تصویر آن را توسط دستگاه نوری ایجاد کنیم، روی محور اصلی سیستم نباشد، انحرافی در تصویر حاصله بوجود می‌آید که آن را ابیراهی کما می‌گویند و بر دو نوع کما مثبت و منفی می‌باشد.

دید کلی

کما ، ابیراهی تکرنگ مرتبه سوم است که یک ابیراهی خارج از محور بوده، نسبت به محور نوری نیمه متقارن است و به سرعت با تغییر دهانه r تغییر می‌کند. هرچند که می‌توان عدسی را برابر سایر ابیراهی‌ها از جمله ‌ابیراهی کروی تصحیح کرد و همه پرتوها را در روی محور به نحو مطلوبی کانونی کرد، ولی کیفیت تصاویر نقاط خارج از محور دارای وضوح مطلوبی نخواهد بود، مگر اینکه عدسی را برای کما نیز تصحیح کرده باشند.

ابیراهی کما از چه چیزی ناشی می‌شود؟

این ابیراهی ناشی از پرتوهای موازی عمودی یا مماسی شکسته شده توسط عدسی است. هر ناحیه دایره‌ای عدسی ، تصویری دایره‌ای که دایره کمایی نامیده می‌شود، تشکیل می‌دهد. پرتوهایی که در صفحه مماسی قرار دارند، تصویری در بالای هر دایره کمایی و پرتوهایی که در صفحه کمانی (صفحه ‌افقی) قرار دارند، تصویری در زیر هر دایره کمایی تشکیل می‌دهند. تصاویر مربوطه به پرتوهای منتسب به صفحات دیگر ، دایره کمایی را کامل می‌کنند. ترکیب تمام این دوایر کمایی که شعاع آنها با افزایش شعاع مناطق بزرگتر می‌شود، شکلی شبیه یک ستاره دنباله‌دار می‌دهد، وجه تسمیه ‌این ابیراهی نیز به همین علت است.

انواع ابیراهی کما

کما مثبت

بزرگنمایی برای اجزای مختلف عدسی فرق می‌کند. هرگاه بزرگنمایی برای پرتوهای خارجی عبوری از عدسی بزرگتر از بزرگنمایی پرتوهای عبوری از مرکز آن باشد، می‌گویند کما مثبت است.

کما منفی

هرگاه بزرگنمایی برای پرتوهای خارجی عبوری از عدسی کوچکتر از بزرگنمایی پرتوهای عبوری از مرکز آن باشد، کما منفی خواهد بود.

چگونه می‌توان دستگاهی ساخت که فاقد ابیراهی کما باشد؟

شکل عدسی مقدار ابیراهی کما را تحت تاثیر قرار می‌دهد. همچنین سمت‌گیری یک عدسی روی بیراهی‌های آن تاثیر می‌گذارد. با ترکیب عدسی‌ها این امکان وجود دارد که چندین ابیراهی را همزمان با خمش عدسی‌ها به گونه‌ای که بیراهی‌های همگانی حاصل از ترکیب ، کوچکتر از مقادیر آنها برای عدسی‌های جداگانه باشد، تصحیح کرد.

روش دیگر جابجا کردن دریچه روزنه‌ است. موقعی که دریچه جابجا شد، پرتو اصلی که به وسیله دریچه تعیین می‌شود، به تقاطع پرتوهای حاشیه‌ای نزدیکتر می‌شود و لذا کما کاهش می‌یابد. اما اگر هیچ ابیراهی کروی وجود نداشته باشد، این جابجایی روی نمی‌دهد و کما برای هر دو موضع دریچه یکسان می‌ماند. علاوه بر تغییرات در انحنای سطوح عدسی ، تغییرات در ضخامت و یا فواصل تک‌تک اجزا و ضرایب شکست آنها می‌توان برای تعدیل ضرایب ابیراهی مورد استفاده قرار داد.

اثر پوکلز

دیدکلی

اثر پوکلز در برخی بلورها که فاقد یک مرکز تقارن‌اند، وجود دارد. به عبارت دیگر ، بلورها فاقد نقطه مرکزی هستند که از آن نقطه هر اتم می‌تواند به داخل یک اتم مشابه بازتاب پیدا کند. 32 رده تقارن بلوری وجود دارد و از بین آنها 20 تا ممکن است اثر پوکلز را نشان دهند. ضمنا همین 20 رده پیزو الکتریک (عایق‌هایی که در درونشان ممان دوقطبی وجود دارد و برای خنثی کردن این ممان دو قطبی‌ها ، در خلاف جهت ممان دو قطبی داخلی ، رویشان توزیع بار بوجود می‌آید) هستند. به این ترتیب بسیاری از بلورها و تمامی مایعات از نشان دادن اثر الکترونوری خطی مستثنی هستند.

تاریخچه

نخستین بار فیزیکدان آلمانی ، ((آلوین پوکلز|فردیش کارل آلوین پوکلز (Friedrich Card Alwin Pockels) در سال 1893_1272 این پدیده را در سطح وسیعی مورد مطالعه قرار داد. این پدیده یک اثر الکترونوری خطی است.

ساخت اتاقک پوکلز

برای ساختن اتاقک عملی پوکلز که به عنوان مدوله‌ساز عمل می‌کرد، می‌بایست تا سالهای 1940 انتظار می‌کشیدند، تا بلورهای مناسب تکامل پیدا کنند. اصل عمل کننده برای چنین ابزاری بطور خلاصه تغییر الکترونی دو شکستی (دو ضریب شکست متفاوت به نام ضریب شکست غیر عادی و عادی) توسط یک میدان الکتریکی اعمال شده نظام یافته تامین می‌شود. پس افت ولتاژ را می‌توان بطور دلخواه تغییر داد و از آنجا حالت قطبش موج خطی فرودی را تغییر داد. بدین طریق دستگاه به عنوان یک مدوله ساز قطبش کار می‌کند. دستگاههای قدیمی از آمونیوم دی‌هیدروژن فسفات یا ADP و پتاسیم دی‌هیدروژن فسفات به نام KDP ساخته شده‌اند، و هر دو هنوز هم در سطح وسیعی کاربرد دارند.

مشخصات اتاقک پوکلز

اتاقک پوکلز عبارت است از یک بلور مناسب فاقد تقارن مرکزی و سست یافته منفرد ، که در میدان الکتریکی قابل کنترل غوطه‌ور است. در این قبیل دستگاهها که نوعا در ولتاژهای نسبتا پایین کار می‌کنند، آنها خطی هستند. زمان پاسخ KDP خیلی کوتاه است، نوعا کمتر از 10 نانو ثانیه بوده و می‌تواند یک باریکه نور را تا فرکانس هرتز مدوله کند. از آنجا که باریکه نور الکترودها را می‌پیماید، آنها را معمولا از روکش‌های اکسید فلزی شفاف مانند ، غشای فلزی نازک ، توریها یا حلقه‌ها می‌سازند. خود بلور در غیاب میدان اعمال شده تک محور است و طوری ترازمندی می‌شود که محور نوری آن در راستای انتشار باریکه قرار گیرد.

کاربردها

اتاقک‌های پوکلز به عنوان بستاور بسیار سریع ، سوئیچ‌های Q برای لیزرها و جریان مستقیم برای مدوله کننده‌های نوری تا 30GHz بکار رفته‌اند. آنها همچنین در گستره وسعی از دستگاههای الکترو نوری مانند شیوه های نمایاندن پردازش داده‌ها بکار می‌روند.

چشم انداز

بر سر پژوهش پیرامون بلورهای الکترونوری تلاشهای فراوانی انجام شده است. گسترش این مواد بطور پیوسته اسامی بیگانه‌ای را به تکنولوژی نامانوس جدید افزده است. از جمله این اسامی می‌توان به لیتیوم تانتالات ، روبیدیوم دی‌هیدروژن فسفات ، لیتیوم نیوبات اشاره کرد.

سرنوشت اينگونه به در مي كوبد

سرنوشت اينگونه به در مي كوبد ...

 

 

پديدة كامپتون

يكي از بهترين آزمايشاتي كه به وسيله آن مي توان خاصيت ذره اي نور را مشاهده كرد و دريافت، اثر كامپتون است. اين پديده را كه نمي توان آنرا در پرتو فيزيك كلاسيك  توجيه كرد آرتور هالي كامپتون در سال 1922 كشف كرده است. وي  طي آزمايشي نشان داد كه با تابيدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزي براق، الكترون ها و فوتون ها به صورت ذره اي با يكديگر برخورد مي كنند.

 با ابعادي ريزتر به اين اثر نگاه مي كنيم: در هنگام تابش يك فوتون به الكترون آزادي كه در سطح فلز قرار دارد برخورد مي كند و بخشي از انرژي خود را به الكترون مي دهد كه طي اين برخورد ذره را از مسير خويش منحرف كرده و به آن انرژي منتقل مي كند (شكل 1):

(شكل 1)

پس از اين برخورد بدليل اينكه اندازه حركت ثابت مي ماند فوتون تخريب مي شود كه اين تخريب با كاهش انرژي يا تغيير بسامد (رنگ) فوتون مي باشد. كه مقدار اين تغيير بسامد را مي توان با توجه به رابطه زير محاسبه كرد.(شكل 2)

(شكل 2)

از طرفي همانطور كه گفته شد انرژي ذره افزايش پيدا مي كند كه نتيجة اين افزايش انرژي، افزايش سرعت ذره مي باشد. (شكل 3)

                                  

(شكل 3)

 با محاسبه انرژي فوتون پس از برخورد و با داشتن معلوماتي چون جرم الكترون، سرعت نور، انرژي ابتدايي فوتون مي توان زاويه انحراف الكترون را بدست آورد.(شكل 4)                                                                                    

 

(شكل 4)

 

ممكن است در برهم كنش فوتون با ماده همه انرژي فوتون به ماده منتقل شود و يا اينكه فوتون جذب الكترون شود:

اصل موضوعه اتم بور:

نيلز بور1 در سال 1913 بعد از اينكه نظريه اتمي رادرفورد نتوانست چرخش الكترون به دور هسته و پايدار ماندن اتم را توضيح دهد، مدلي نوين را براي اتم ارائه داد. در اين مدل بور به عناون اصل مي پذيرد كه الكترونها تنها مي توانند گذارهاي ناپيوسته اي از يك مدار مجاز به مدارهاي مجاز پايين تر انجام دهند، و تغيير انرژي، به صورت تابش با بسامد زير ظاهر مي شود:

الكترونها مي توانند با جذب فوتون، گذار به مداري با انرژي بيشتر انجام دهند.

اثر فوتوالكتريك:

 اين اثر كه حالتي خاص از پديده كامپتون است يكي از 4 مقاله2 تكان دهنده اي بود كه آلبرت اينشتين3 در سال 1905 نوشت. البته تحقيقات اوليه اين اثر را هرتز4 در سال 1887انجام داد.  هاينريش رودلف هرتز دانشمند آلماني كه سالهاي زيادي از عمر علمي خود را صرف تحقيقات بر روي امواج كرد آغازگر كشف اثري بود كه بعدها يك پايه استوار تجربي براي نظريه مكانيك كوانتوم و ذره ذره يا گسسته بودن انرژي شد.

هاينريش هرتز در حالي كه سرگرم مطالعات امواج الكترومغناطيس بود متوجه اين موضوع شد كه با تاباندن نور با طول موج هاي كوتاه يا ماورا بنفش به سطح كلاهك فلزي الكتروسكوپي با بار منفي باعث تخليه شدن كلاهك فلزي مي شود.

همانطور كه گفته شد كار بر روي اين اثر و توجيه آن در پرتو نظريه كوانتوم كه در آن روزها يك تئوري نوپا بود، به همت آلبرت اينشتين جوان انجام شد كه دستاوردي بزرگ براي او و علم فيزيك به همراه داشت. اينشتين به واسطه توجيه اين پديده نوبل فيزيك را از آن خود كرد و فيزيكدانان به نظريه بزرگ كوانتوم جدي تر از قبل نگاه كردند.

اين پديده مي گويد كه اگر برسطح فلزي براق نور بتابانيم مشاهده مي كنيم كه در فركانسي خاص و ويژه الكترونها از سطح فلز جدا مي شوند.(شكل 5)

(شكل 5)

حال اگر در محفظه اي ايده آل در مقابل سطح فلزي كه در حال گسيل كردن الكترون است (كاتد) قطعه اي آندي قرار دهيم. مي بينيم كه جريان الكتريكي ايجاد مي شود. كه به آن جريان فوتوالكتريكي مي گوييم. حال بايد ببينيم چه عواملي در اين پديده وجود دارد كه موجب مي شود تا براي توجيه آن به مكانيك كوانتوم رجوع كنيم.

آ - در اين پديده مشاهده مي شود كه شدت جريان فوتوالكتريكي ايجاد شده مستقل از شدت نور مي باشد و فقط به بسامد (رنگ) نور بستگي دارد. اين مشاهده در حالي انجام شد كه ماكس پلانك5 فيزيكدان بزرگ آلماني به تازگي با توجه به تابش جسم سياه اثبات كرده بود كه انرژي بر خلاف تصور مكانيك كلاسيك ماهيت كوانتايي يا ذره ذره دارد. كه مقدار انرژي نور تنها به بسامد بستگي داشته و از شدت آن مستقل است. اين مشاهده از پديده فوتوالكتريك به وسيله فرمول پلانك يا بطور كلي تئوري كوانتوم قابل توجيه بود

ب- هر كاتد داراي يك فركانس ويژه مي باشد بطوري كه اگر بسامد نور تابانده شده از اين فركانس ويژه يا بسامد آستانه كمتر باشد هيچ جريان فوتوالكتروني ايجاد نخواهد شد و اين آستانه براي فلزهاي مختلف متفاوت است.  اينشتين با در نظر گرفتن كوانتومهاي انرژي نشان داد كه هر فوتون انرژي الكترون را به اندازه معين افزايش مي دهد پس بديهي است كه مقدار انرژي كه صرف جدا كردن الكترون مي شود از فلزي به فلز ديگر فرق كند، اما نبايد به انرژي الكترون بستگي داشته باشد.

اصل عدم قطعيت

يكي از بزرگترين دستاوردهاي علمي بشر اصل عدم قطعيت و تعابير فلسفي آن مي باشد

اين اصل را ورنر هايزنبرگ6 با كمك هاي نيلز بور در سال 1927 ارائه كرد.

براي آنكه تكانه و وضعيت آينده ذره اي را پيش بيني كنيم بايد بتوانيم وضعيت و تكانه فعلي آن را به دقت اندازه بگيريم . بديهي است براي اندازه گيري بايد ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهيم چون برخي از امواج نور به وسيله ذره پراكنده خواهند شد و در نتيجه وضعيت ذره مشخص مي شود . اما دقت اندازه گيري وضعيت يك ذره بناگزير از فاصله بين تاجهاي متوالي موج نور كمتر است در نتيجه براي تعيين دقيق وضعيت يك ذره بايد از نوري با طول موج كوتاه تر استفاده كرد . حال بنابر فرضيه كوانتوم پلانك ، نمي توانيم هر قدر دلمان خواست مقدار نور را كم اختيار كنيم ،  دست كم بايد يك كوانتوم نور مصرف كنيم . اين كوانتوم يا همان فوتون ذره را متاثر خواهد كرد . از اين گذشته براي آنكه وضعيت ذره را هر چه دقيق تر اندازه بگيريم . بايد از نوري با طول موج كوتاهتر استفاده كنيم كه با توجه به رابطه پلانك كه مي گويد فركانس با انرژي رابطه مستقيم دارد انرژي هم افزايش پيدا مي كند و بنابراين انرژي هر كوانتوم بيشتر مي شود . با افزايش انرژي نور تابانده شده مقدار انرژي جنبشي كه به الكترون تزريق مي شود افزايش پيدا مي كند. كه باعث زياد شدن اندازه حركت الكترون مي شود بنا براين هرچه تلاش كنيم كه موقعيت الكترون را دقيق تر مشخص كنيم اندازه حركت آنرا بيشتر تغيير خواهيم داد. به عبارتي ديگر ما هيچگاه نمي توانيم آينده ذرات را با وجود اصل ذاتي عدم قطعيت  به طور دقيق مشخص كنيم كه اين دستاورد دقيقا در مقابل فلسفه فكري مكانيك نيوتوني قرار دارد.

با يك مدل ساده مي توان گفت كه مكانيك نيوتوني براي توصيف وضعيت ذره تنها نياز به يك عكس در لحظه اي معين از ذره دارد. يعني با داشتن خاصيت هاي كمي ذره مي تواند وضعيت ذره را پيش بيني كند حال آنكه مكانيك كوانتوم از ذره فيلم مي گيرد. يعني هزاران عكس از ذره را در نظر مي گيرد. و اساس توصيف وضعيت ذره را بر ميانگين و احتمالات مي گذارد. يا به عبارتي ديگر در برگيرنده همه چيز و در عين حال هيچ چيز.

اين اصل مي گويد اندازه حركت و مكان ذره (و هر زوج ديگري كه ديمانسيون حاصلضربشان با اين زوج برابر شود) در كوانتوم بر خلاف نظريه كلاسيك مكمل يكديگرند.

 و كوانتوم هيچ آزمايشي را براي رد كردن اين اصل ممكن نمي داند. كه حدس زدن همين آزمايش ها زماني داغترين موضوع بحث كنفرانسهاي فيزيك از جمله انجمن سلواي7 بود.

در ادامه بحث چند آزمايش در مورد عدم قطعيت را بررسي خواهيم كرد:

آ- پراش الكترون: فرض كنيد فاصله شكافها از يكديگر و فاصله شكافها تا پرده مقدار هاي معيني باشند. در اينصورت انتظار ما از آزمايش اينست كه با رقراري شرط محاسبه شده تداخل سازنده انجام شود. حال آنكه آزمايش با خطا همراه است و عدم قطعيت يك ابهام در مكان الكترون بوجود مي آورد.

كه دليل ايجاد شدن اين عدم قطعيت حضور ناظري بر آزمايش مي باشد.

ب- ميكروسكوپ هايزنبرگ: هدف اصلي اين آزمايش اينست كه بوسيله نوري كه الكترون ها پراكنده مي كنند مكان آنها مشخص شود. يعني بوسيله يك عدسي مي توان نور پراكنده شده توسط الكترون را مشاهده كرد. حال براي محاسبه دقيق تر مكان الكترون ها بايد توان تفكيك را تغيير داد يا به عبارتي ديگر عدم قطعيت در مكان الكترون را كه تابع طول موج و سينوس زاويه اي كه ميان محور اصلي و  خط گذرنده از نقطه ابتداي عدسي مي باشد،  را بايد كاهش داد. اما اين كار باعث مي شود تا تكانه با دقت كمتري محاسبه شود. كوانتوم مي گويد راستاي حركت فوتون پس از پراكندگي در محدوده تشكيل نامعين است. در نتيجه تكانه عدم قطعيتي دارد كه با زاويه ذكر شده رابطه مستقيم دارد. يا به عبارتي ديگر اگر ما بخواهيم بوسيله كاهش سينوس زاويه مذكور عدم قطعيت اندازه حركت را كم كنيم آنگاه عدم قطعيت ما در مكان افزايش مي يابد.

پ- الكترون ها در مدار اتم بور: در اين آزمايش تحت مطالعه قرار دادن الكترون باعث انتقال مهارنشدني تكانه به الكترون مي شود. كه خود عدم قطعيتي در انرژي الكترون ايجاد مي كند كه بسيار بزرگتر از اترژي بستگي الكترون در مدار مي باشد. يا به عبارتي ديگر اين جذب تابش در الكترون موجب خارج شدن الكترون از مدار مي شود. كه ازين رو نمي توان مدلي از مدار به دست آورد.

نكته مهمي كه از آزمايش آخر نتيجه مي گردد اينست كه عدم قطعيت تنها به زوج اندازه حركت و مكان محدود نمي گردد بلكه زوج هاي ديگري همچون انرژي- زمان را در بر مي گيرد. كه مي توان گفت كه اين زوج حاصل و ثمره نظريه نسبيت است.

ت- بودن يا نبودن مسئله اينست. (گربه شرودينگر): يكي از عميق ترين آزمايشاتي كه توسط ذهن خلاق اروين شرودينگر8 جوان شكل گرفت آزمايش گربه شرودينگر بود. هرچند اين آزمايش بيشتر به يك سفسطه فلسفي شبيه است تا يك آزمايش اما تفكر ذهني كه پس از مطالعه اين آزمايش به دست ميايد اعتماد ما را نسبت به عدم قطعيت بيش از پيش جلب مي كند.

در اين آزمايش او اتاقي در بسته را در نظر مي گيردكه درونش يك گربه وجود دارد و شامل مقداري سيانور در يك شيشه شكننده كه به يك چكش وصل است مي باشد. در اين اتاقك مقدار بسيار كمي ماده راديواكتيو است كه ممكن است در يك زمان طولاني حتي يك اتم آن تجزيه نشود. و در اين اتاقك شمارشگر گايگر موجود است كه به محض اكتيو شدن ماده راديواكتيو رله چكش را به كار مي اندازد و اين چكش شيشه حاوي سيانور را مي شكند و حيوان مي ميرد. حال سوال اينست كه آيا در صورت باز نكردن جعبه مي توانيم در مورد زنده بودن يا نبودن جانور حرفي بزنيم. شرودينگر مي گويد كه زندگي گربه پنجاه-پنجاه است.  جان ويلسون مي گويد: « طبق كوانتوم گربه تا زماني كه كسي در جعبه را باز نكرده و مشاهده اي انجام نداده در حال زنده و مرده قرار دارد»

ث- در حيطه ماكروسكوپيك: اگر از خطاهاي كوچك در حوزه مكانيك كلاسيك چشم نپوشيم آنگاه اين اصل را مي توان براي اجسام ماكروسكوپيك هم بكار گرفت.

بطور مثال يك توپ را در نظر بگيريد اگر اين توپ را از ارتفاعي رها كنيم به زمين مي خورد و به سمت بالا بر مي گردد وآنقدر اين كار را ادامه مي دهد تا بايستد.اما آيا واقعا از حركت ايستاده است؟ اصل عدم قطعيت مي گويد نه! به اين دليل كه اگر اين توپ بخواهد دقيقا در يك نقطه باقي بماند در آن صورت مكان دقيقش مشخص مي شود طبق اصل عدم قطعيت اگر عدم قطعيت ما در مورد مكان كم باشد عدم قطعيت ما در مورد اندازه حركت فوق العاده زياد است

به حدي كه اصلا نمي توانيم عددي براي اندازه حركت قائل شويم. بنا براين احتمال اينكه توپ از حركت ايستاده باشد صفر است.  يعني به محض مشاهده، نور به آن انرژي وارد مي كند پس ما هيچگاه نمي توانيم واقعيت يا همان از حركت ايستادن توپ را ببينيم.) بوسيلة اين اصل و استدلالي مشابه مي توانيم توجيه كنيم كه چرا ذرات داخل اتم مدام در حال حركت هستند.

آزمايشات ديگري نيز مطرح شده است كه از ميان آنها مي توان به مهمترين آنها يعني پديده تونل زني در كوانتوم كه بر اساس علم احتمالات در كوانتوم شكل گرفته است اشاره كرد.

اين اصل نگاه ديگري را به نوع نگرش فيزيك در طبيعت مي بخشد.كوانتوم بوسيله اين اصل توانست در خط فكري فلسفه قرن 20 و مسير كلي فلسفه علم تغييرات مهمي را ايجاد كند.

 عدم قطعيت و سرنوشت غير قابل پيش بيني:

سالها از مطرح شدن اين اصل توسط هايزنبرگ مي گذرد اما اين اصل همچنان به قوت خويش باقيست. و تمام نظريه ها كه مطرح شد و تمام برداشتهايي كه بعدها از نظريه كوانتوم انجام شد اين اصل را محترم شمرد.

از دل اصل عدم قطعيت نظريه هاي ديگري بيرون آمدند كه از بين آنها مي توان به نظريه آشوب اشاره كرد. اين تئوري يكي از مهمترين جريانات در فيزيك مدرن پس از كوانتوم بود. اين نظريه تلاشي است براي پاسخگويي به پرسش هايي كه نشان از ايجاد حوادث مهم توسط حركات آشوبناك دارد. كشف وجود پديده هاي تصادفي در نظام غير قابل پيش بيني فيزيك به برآمدن رشته جديدي از علم منجر شده است كه مدعي جهان ما بسيار غير قابل پيش بيني تر از آنيست كه تصور مي شد! نظريه آشوب با در نظر گرفتن تمام آثاري كه فيزيكدانان آنها را تا پيش ازين از محاسبات خويش حذف مي كردند توانست جلوه ديگري از طبيعت را آشكار سازد: « پروانه اي در برزيل بال مي زند و در نقطه اي از آمريكاي شمالي سيل مي آيد » . البته نبايد ازين مسئله غافل شد كه نظريه آشوب غالبا در سيستم هايي حاكم است كه حساسيت فوق العاده نسبت به شرايط اوليه دارند يا اينكه به دليل دارا بدن فاكتورهاي زير تحت تاثير اثرات شگفت انگيز آشوب قرار مي گيرند:

ميان رشته اي بودن.
بزرگ مقياس بودن.
دارابودن تعداد زياد پارامتر هاي مداخله گر.
غير خطي يا بودن. بويژه زماني كه رفتار ديفرانسيلي باشد. يعني عامل زمان
(نرخ و سرعت تغيير) در سرنوشت و رفتار سيستم اثر بگذارد.

اين نظريه مدعي است كه پيچيده ترين ساختار ها تركيبي از چند قاعده ساده هستند.

اما اين نظريه تنها بر ژنتيك و هواشناسي حاكم نيست بلكه اگر به هر خاطره ذهني به چشم يك فركانس نگاه كنيم مي بينيم كه يك خاطره كوچك مي تواند آشوبي در ذهن به پا كند..

اما آشوب چگونه بوجود آمد؟

نخستين بار سيستمهايي مشاهده شدند كه اگرچه در قلمرو فيزيك مكانيك كلاسيك بودند، اما رفتار ديناميك و غير خطي آنها باعث شده بود تا پيش بيني رفتار بلند مدت آنها عملا غير ممكن گردد.
بعدا ثابت گرديد كه نه تنها در عمل پيش بيني نا ممكن است بلكه در تئوري نيز سدهايي براي رسيدن به يك پيش بيني دقيق و دراز مدت وجود دارد.

دانشمندي بنام لورنتس در سال 1965 مشغول پژوهش روي مدل رياضي بسيار ساده اي كه از آب و هواي زمين بود ، به يك معادله ديفرانسيل غير قابل حل رسيد.

وي براي حل اين معادله به روشهاي عددي با رايانه متوسل شد. او براي اينكه بتواند اين كار را در روزهاي متوالي انجام دهد، نتيجه آخرين خروجي يك روز را به عنوان شرايط اوليه روز بعد وارد مي كرد. لورنتس در نهايت مشاهده كرد كه نتيجه شبيه سازي هاي مختلف با شرايط اوليه يكسان با هم كاملا متفاوت است. بررسي خروجي چاپ شده رايانه نشان داده كه رويال مك‌بي رايانه‌اي كه لورنتس از آن استفاده مي كرد، خروجي را تا ۴ رقم اعشار گرد مي كند. از آنجايي محاسبات داخل اين رايانه با ۶ رقم اعشار صورت مي گرفت، از بين رفتن دورقم آخر باعث چنين تاثيري شده بود. مقدار تغييرات در عمل گرد كردن نزديك به اثر بال زدن يك پروانه است. اين واقعيت غير ممكن بودن پيشبيني آب و هوا در دراز مدت را نشان مي دهد..

نظم در آشوب:

هم شكلي: در تئوري آشوب ؛ نوعي شباهت بين اجزاء و كل قابل تشخيص است. بدين ترتيب كه هر جزئي از الگو همانند و مشابه كل مي باشند. خاصيت خودمانائي در رفتار اعضاي سازمان نيز مي تواند نوعي وحدت ايجاد كند ؛ همه افراد به يكسو و يك جهت و هدف واحدي نظر دارند.

جاذبه هاي بي نظم: جاذبه ها انواع مختلف دارند مانند جاذبه نقطه ثابت ؛ جاذبه دور محدود ؛ جاذبه گوي مانند و جاذبه بي شكل يا بي نظم. جاذبه هاي بي نظم برخلاف جاذبه هابي قبلي كه نوعي نظم و قابليت پيش بيني داشتند ؛ بي نظم هستند و به همين خاطر برخي آنها را جاذبه هاي بي نظم نيز ناميده اند. اما همين جاذبه بي نظمي از الگوهاي خاص و مشخصي تبعيت مي كنند.

پويا بودن: سيستمهاي بي نظم خود را با محيط پيرامون وفق مي دهند.

توضيحات پاياني:

1-  دانشمند و فيلسوف بزرگ دانماركي كه مكانيك كوانتوم را بنيان نهاد.

 
نيلز بور

2- نسبيت خاص، حركت براوني، فيزيك براي مواد حالت جامد  و  اثر فوتو الكتريك

3- دانشمند بزرگ آلماني كه در سال 1879 در اولم آلمان بدنيا آمد و در سال 1955 در آمريكا درگذشت.

 

آلبرت اينشتين

صداي سخنراني اينشتين:  

4-  دانشمند پرتلاش آلماني كه وجود امواج الكترومغناطيس را اثبات كرد. وي در سال 1857 در آلمان بدنيا آمد و در سن 37 سالگي درگذشت.

  
 هاينريش هرتز

5-  دانشمند آلماني كه با مطرح كردن رابطه كوانتش انرژي انقلابي در فيزيك ايجاد كرد. وي در سال 1947 در سن 89 سالگي در آلمان  از دنيا رفت.

  
ماكس پلانك

6 - دانشمند بزرگ آلماني كه در سال 1901 چشم به جهان گشود و در سال 1976 در مونيخ درگذشت.

 ورنر هايزنبرگ

7- كنفرانسي كه در آن بزرگان علم فيزيك براي تبادل نظر در مورد آخرين دستاوردهاي علم گرد هم مي آمدند

  انجمن سلواي

8-  فيزيكدان اتريشي كه در سال 1887 بدنيا آمد و در سال 1961 از دنيا رفت. 

 اروين شرودينگر

 

نوشته : محمدرضا عظيمي

كاربرد فناوري‌نانو در پاکسازي محيط زيست‎

يكي از مهم‌ترين کاربردهاي فناوري‌نانو در محيط زيست، تصفيه آلاينده‌هاي آب‌هاي زيرزميني با نانوذرات nZVI (zero-valent iron) است که بازده و راندمان قابل توجهي دارد، اما نامشخص بودن خصوصيات اساسي اين فناوري مشکلاتي در رابطه با استفاده بهينه و يا ارزيابي خطرات آن از لحاظ انساني و اکولوژيکي به وجود آورده است.

در اين مقاله به سه مورد اساسي که باعث سوء تفاهم در مورد اين فناوري مي‌شود اشاره مي شود:

1. nZVI هايي که در تصفيه آب‌هاي زيرزميني استفاده مي‌شوند بسيار بزرگتر از ذراتي هستند که تأثيرات حقيقي در اندازه نانو را نشان مي‌دهند.
2. واکنش‌پذيري بالاي اين ذرات عمدتاً نتيجه سطح ويژه بالاي آنها است.
3. تحرک nZVI تقريباً در تمامي شرايط کمتر از چندمتر است. لذا استفاده از آن در تصفيه به حداقل مي‌رسد.

به هر حال هنوز سئوالات زيادي در مورد اين فناوري وجود دارد: مثلاً اين كه چگونه nZVI به سرعت جابه‌جا خواهد شد؟ اين جابه‌جايي به سمت چه محصولاتي است؟ آيا اين مواد در محيط زيست قابل تشخيص هستند؟ و اينکه چگونه تغييرات سطح nZVI باعث تغيير طول عمر و تأثير آن روي تصفيه خواهد شد؟
کاربردهاي نويدبخش فناوري‌نانو در محيط زيست بسيار زياد است؛ اين مطلب در ”پيشرفت محيط‌زيستي“ به عنوان يکي از هشت زمينه پيشرو فناوري‌نانو که از جانب NNI تعيين شده منعکس شده است. در حقيقت، تقريباً تمام برنامه‌هاي NNI (پديده‌هاي بنيادي، مواد، روش‌ها، اندازه‌گيري و غيره) جنبه‌هاي محيطي دارند. نگراني‌هاي زيست محيطي تقريباً در تمام 11 سازمان حاضر در برنامه NNI قابل مشاهده است.
بيشتر کاربردهاي زيست محيطي فناوري‌نانو در سه مقوله جاي مي‌گيرند:

1. محصولات بي‌خطر براي محيط زيست يا محصولات با قابليت تحمل بالا مثلاً شيمي سبز؛
2. تصفيه موادي که با ذرات خطرناک آلوده شده‌اند؛
3. حسگرهايي براي ذرات محيطي.

با اينکه معمولاً اين سه مقوله در زمره موادشيميايي يا مواد نانوبيولوژيکي تلقي مي‌شود بايد توجه کرد که اين موارد مي‌تواند در مورد عوامل ميکروبي و مواد زيست‌محيطي نيز کاربرد داشته باشد. فناوري‌نانو‌ نقش مهمي در بهبود روش‌هاي کشف و پاک‌سازي عوامل زيست‌محيطي مضر دارد.
دو فناوري متعارف تصفيه كه در فناوري‌ ‌نانو نيز از آنها استفاده مي‌شود عبارتند از: جاذبه و واکنش درجا و غيردرجا. در فناوري‌ تصفيه جاذبه‌اي به كمك فرآيند جداسازي، آلاينده‌ها (به خصوص فلزات) را جدا مي‌کنند؛ در حالي که فناوري‌ واکنشي باعث تجزيه آلاينده‌هاي مي‌شود. گاهي اوقات تمام روش‌ها به سمت توليد محصولات کم ضررتر است مثلاً در مواردي که آلاينده‌ها آلي باشند محصولاتي مثل CO₂ و H₂O توليد مي‌شود.
در فناوري‌‌ درجا، پاک‌سازي آلودگي در همان محل آلودگي صورت مي‌گيرد در حالي که در فناوري‌ غير درجا، عمليات پاک‌سازي پس از انتقال مواد آلوده کننده به مکان‌ مطمئن انجام مي‌شود؛ به عنوان مثال آب‌هاي زيرزميني آلوده به سطح زمين پمپ شده و پاک‌سازي آنها در راکتورهاي واقع در سطح زمين انجام مي‌شود.
فناوري‌نانو غيردرجا
يک مثال برجسته از فناوري‌نانو براي تصفيه آلاينده‌ها از طريق جذب سطحي، تك لايه‌هاي خودآرا روي پايه ميان حفره‌اي يا SAMMS است. SAMMS‌ از طريق خود آرايي‌ يک لايه از عوامل سطحي فعال شده بر روي پايه‌هاي سراميکي ميان حفره‌اي به وجود مي‌آيد که سبب ايجاد موادي با سطح ويژه بسيار بالا (تقريباً1000 m²/g) مي‌شود. خصوصيات جذبي اين مواد را به گونه‌اي مي‌توان تنظيم كرد كه آلاينده‌هاي خاص مثل جيوه، کرومات، آرسنات، پرتکنتات، و سلنيت را جذب كند.
پليمرهاي درخت‌ساني، نوع ديگري از مواد نانوساختار هستند که پتانسيل تصفيه آلاينده‌ها را دارند. نمونه‌هاي جديد اين روش شامل اولترافيلتراسيون بهبود يافته با درخت‌سان‌ها به منظور حذف Cu⁺² از آب و حذف آلاينده‌هاي Pb⁺² از خاک است.
اين دو نوع نانوساختار جاذب كه در فرايندهاي غيردرجا استفاده مي‌شوند، مي‌توانند مواد پرخطر را در غلظت بالايي در سطح خود جمع کنند.
تجزيه آلاينده‌ها به كمك فناوري نانو بر خلاف تصفيه از طريق جذب مختص آلاينده‌هاي آلي است. روش رايج تصفيه آلاينده‌هاي آلي فوتواكسيداسيون (photooxidation) به وسيله كاتاليزورهاي نيمه‌رسانا (مثلTiO₂ ) است. قابليت فوتوکاتاليست‌هاي کوانتومي (اندازه ذره تقريباً 10 nm) مدت‌هاست كه در تجزيه آلاينده‌ها شناخته شده‌ است.
به هر حال همان‌طور که در توضيح فناوري‌هاي جاذب گفته شد فوتواکسيداسيون به وسيله نيمه‌هادي‌هاي نانوساختار يک روش غيردرجا است؛ چون به نور نياز دارد و بايد در يک راکتور که براي اين کار طراحي شده است؛ انجام شود.
فناوري‌نانو‌ درجا 

شکل 1- سه روش کاربرد ذرات Fe براي تصفيه آب‌هاي زيرزميني:
(a) يک سر واکنشي نفوذپذير مرسوم که از Fe گرانولي با اندازه ميلي‌متري ساخته شده است؛
(b) يک ناحيه پاک‌سازي واکنشي که به وسيله تزريق پي‌درپي نانوذرات Fe شکل گرفته است؛
(C) پاک‌سازي آلاينده‌هاي فاز مايع بدون آب (DNAPL) به وسيله تزريق نانوذرات متحرک.
در شکل‌هاي b و c نانوذرات با نقاط سياه، و نواحي تحت تأثير آنان با رنگ روشن معين شده‌اند.
در شکل b فرض بر اين است که نانوذرات در محيط‌هاي متخلخل تحرک اندکي دارند؛ درحالي كه در شکل C نانوذرات به منظور تحرک بيشتر
تغيير و بهبود يافته‌اند.
توجه کنيد که واکنش تنها زماني رخ مي‌دهد که آلاينده‌ها به صورت محلول در آب‌هاي زيرزميني باشند و يا مثل DNAPL به سطوح Fe متصل باشند.

تجزيه درجاي آلاينده‌ها، بر ساير روش‌ها ارجحيت دارد؛ زيرا اين روش از نظر اقتصادي مقرون به صرفه‌تر است. البته تصفيه درجا مستلزم تداخل آلاينده‌ها با عمليات پاک‌سازي است و اين خود مانع اصلي در توسعه و بسط اين نوع فناوري‌ها است. امكان تزريق نانوذرات (واکنشي و جذبي)، در محيط‌هاي متخلخل آلوده‌ مثل خاک‌ها، رسوبات و محيط‌هاي آبي، سبب شده است تا اين روش از پتانسيل بالايي برخوردار باشد. در اين روش يکي از دو امكان زير بايد وجود داشته باشد:

 

1. ايجاد نواحي واکنشي درجا با نانوذراتي که تقريباً بي‌حرکت هستند؛
2. ايجاد توده نانوذرات واکنشي که به سمت مناطق آلوده حرکت مي‌کنند؛ البته اگر اين نانوذرات به اندازه کافي متحرک باشند. (همان گونه که درشکل (1) نشان داده شده است).

در زير بيشتر به تحرک درجاي نانوذرات مي‌پردازيم، زيرا تحرک درجاي نانوذرات معمولاً باعث ايجاد سوء تفاهم در فهم مطلب مي‌شود.
با وجود اينکه نانوذرات گوناگوني (مثل دو قطبي غيريوني، پلي‌يورتان و يا فلزات نجيبي روي پايه آلومينا) در تصفيه درجا قابل استفاده‌اند؛ اما تا به حال بيشترين توجه به نانوذرات حاوي nZVI شده است. تمايل به استفاده از nZVI براي تصفيه باعث بهبود شيمي تصفيه و يا گزينه‌هاي توسعه آن شده است.
اين امر منجر به انتقال بسيار سريع اين فناوري از مرحله آزمايشگاهي به مرحله نيمه‌صنعتي شده است. کاربردهاي تجاري nZVI در تصفيه به سرعت رايج و بازارهاي رقابتي شديدي در زمينه مواد حاوي nZVI و تأمين کنندگان خدمات آن به وجود آورده است.
برخي تصورات غلط راجع به اصول اساسي فناوري تصفيه مبتني بر nZVL کاربردهاي آن در محيط زيست وجود دارد. با اينکه اين مطالب بسيار به هم وابسته‌اند ولي ما مي‌توانيم آنها ر ا در سه گروه تقسيم کنيم: ريخت‌شناسي ذره، واکنش‌پذيري و تحرک.
در ادامه، نكات کليدي سه دسته بالا را توضيح مي‌دهيم تا بتوانيم به يك جمع‌بندي راجع به اين فناوري‌ دست يابيم و از اين طريق به پيشرفت‌هاي زيست محيطي فناوري كمك كنيم.

ويژگي‌هاي نانوذرات 
ريخت‌شناسي
تعريف‌هاي گوناگوني در مورد اندازه نانو ارائه شده است؛ اما بايد به اين نظريه اشاره کرد که اندازه نانو محدوده‌اي از اندازه مولکول‌ها و مواد است که ذرات در اين محدوده، خواص بي‌همانند يا به طور کيفي، متفاوت با ذرات بزرگ‌تر از خود دارند.

شکل 2- سطح ويژه با فرض اين كه ذرات به صورت كرومي با ذره برآوردي از قطر زياد دايره‌اي هندسي و چگالي 7.6 g/Cm³ هستند. (بر پايه ميانگين چگالي‌هاي FeO و Fe₃O₄ خالص)

بيشتر نمونه‌هايي که اين خواص را دارند، داراي اندازه‌اي در محدوده کوچک‌تر از 10 نانومتر هستند؛ زيرا در اين محدوده، اندازه ذرات به اندازه آنها در شرايط مولکولي پايدار نزديک‌تر است.
يکي از اين مثال‌ها محدوده کوانتومي است که به اين علت به وجود مي‌آيد که با کاهش اندازه ذرات، باند گپ (bandgap) افزايش يافته، باعث به وجود آمدن برخي ويژگي‌هاي مفيد در فوتوکاتاليست‌هاي نيمه‌هادي مي‌شود كه در بخش فناوري‌هاي غيردرجا توضيح داده شد.
خصوصيات ديگري که در اندازه‌هاي زير 10 نانومتر تغيير مي‌کند سطح ويژه است که در شکل (2) نشان داده شده است.
از نظر کيفي فاکتورهاي ديگري نيز وجود دارند که در تعيين اين خصوصيات دخالت دارند، مثل نسبت اتم‌هاي سطحي به اتم‌هاي توده و قسمتي از حجم ذره که شامل ضخامت محدود لايه سطحي است (حجم سطحي).
آماده‌سازي nZVI براي استفاده در کاربردهاي تصفيه‌اي، به طور معمول در اين محدوده- بين چند ده تا چند صد نانومتر- انجام مي‌شود. علاوه بر اين، ذرات nZVI حتي تحت شرايط آزمايشگاهي هم تمايل دارند که به هم بپيوندند و متراکم شوند و در نتيجه مجموعه‌هايي توليد مي‌شود که اندازه آنها ممکن است نزديک چند ميکرون شود. اين بدان معني است که nZVI و مواد مرتبط با آن که در کاربردهاي تصفيه محيط‌زيست استفاده مي‌‌شوند، خصوصيات فوق‌العاده مورد انتظار براي نانوذرات حقيقي را از خود نشان نخواهند داد و اغلب همانند کلوئيد‌هاي محيط زيست رفتار خواهند کرد.
واکنش‌پذيري
واکنش‌پذيري زياد نانوذرات مي‌تواند نتيجه سطح ويژه بالاي نانوذرات، چگالي بيشتر نواحي واکنش‌پذير روي سطوح ذره و يا افزايش واکنش‌پذيري اين نواحي بر روي سطح باشد.
اين فاکتورها مجموع سه نتيجه واضح وکارا را در مورد nZVI در پي داشته است:

 

1. تجزيه آلاينده‌هايي که واكنش‌ چنداني با ذرات بزرگ‌تر نمي‌دهند. مانند پلي فنيل هاي کلرينه شده؛
2. تجزيه بسيار سريع‌تر آلاينده‌هايي که پيش از اين با سرعت‌هاي مناسبي با ذرات بزرگ‌تر واکنش نشان مي‌دادند، مانند اتيلن‌هاي کلرينه شده؛
3. دسترسي به محصولات مطلوب‌تر با تجزيه آلاينده‌هايي که به وسيله مواد بزرگ‌تر سريعاً تجزيه مي‌شوند؛ اما باعث به وجود آمدن محصولات فرعي نامطلوبي مثل تتراکلريدکربن مي‌شوند.

از اين سه دسته تأثيرات واکنشي، دومين دسته (تجزيه سريع‌تر آلاينده‌هاي قابل تجزيه) بيشتر مورد توجه قرار گرفته است. علت اين تأثير با اينکه يک مسئله بسيار کاربردي، بنيادي و با اهميت است کمتر شناخته شده است.

شکل 3. مقايسه ثابت‌هاي سرعت احيايCL₄ به وسيله nZVI و دو نوع Fe در اندازه‌هاي ميلي‌متري. مناطق روي نمودار تقريباً بر مبناي 50 داده از منابع مختلف هستند.

ما براي تجزيه تتراكلريد كربن به وسيله nZVI ، نسبت ثابت سرعت‌هاي نرمال شده بر حسب سطح ويژه k_sa را با ثابت سرعت‌هاي نرمال شده بر حسب جرم km مقايسه كرديم، نتايج نشان داد که ksa براي نانوذرات nZVI برابر اين پارامتر در ذرات ميلي‌متري nZVIاست؛ اما km آن بزرگ‌تر از ذرات ميلي‌متري است (شکل 3). بنابراين تجزيه سريع‌تر تتراکلريد کربن به وسيله nZVI به خاطر سطح ويژه بالاي آن است، نه به خاطر بيشتر بودن فراواني نقاط واکنش‌پذير روي سطح و يا واکنش‌پذيرتر بودن اين نقاط. اين نتيجه ممکن است در مورد ساير آلاينده‌هايي که با nZVI واکنش مي‌دهند نيز صدق کند اما اطلاعات ما در اين مورد ناکافي است.
بايد توجه داشت که اين تحليل شامل ترکيبات دوفلزي nZVI با کاتاليزرهاي فلزات نجيب مثل Pd، Ni و Cu نيست. اين مواد دو فلزي معمولاً داراي مقادير k_sa بالايي هستند، ولي اين افزايش در درجه اول نتيجه تأثير خاصيت کاتاليستي فلزات نجيب است که در مورد ذرات بزرگ‌تر نيز مشاهده مي‌شود.
اما مشكلي كه هست اين كه افزايش واکنش‌پذيري معمولاً همراه با كاهش انتخاب‌پذيري است كه موجب واکنش nZVI با مواد غيرهدف شامل اکسيژن غيرمحلول و آب‌ و در نتيجه پايين آمدن راندمان تصفيه با nZVI مي‌شود.
شكل فوق منجر به پيدايش نياز به تزريق ذرات به سيستم و درنتيجه بالا رفتن هزينه عمليات خواهد شد.
با محدود کردن مواد ناخواسته (مواد غيرهدف شامل اکسيژن و آب) به وسيله گيرنده‌هاي ارزان‌تر مي‌توان طول عمر کوتاه nZVI را مفيدتر کرد؛ البته اگر ذرات تحرک قابل ملاحظه‌اي از خود نشان دهند.
تحرك
نانوذرات در محيط‌هاي متخلخل تحرک زيادي خواهند داشت، زيرا اندازه آنها از اندازه سوراخ‌هاي محيط‌هاي متخلخل بسيار کوچک‌تر است اما اينکه ما فرض کنيم علت تحرک نانوذرت تنها اين مطلب است بسيار ساده انگاري است. معمولاً تحرک نانوذرات را در محيط‌هاي متخلخل اشباع، دو فاکتور تعيين مي‌كند: تعداد برخوردهاي نانوذرات با محيط متخلخل به ازاي واحد جابه‌جايي؛ و ضريب چسبندگي (احتمال اينکه هر برخورد، منجر به حذف ذره از جريان شود). برخورد ممکن است در نتيجه سه عامل رخ دهد: حرکت براوني، بازدارنده‌ها (عواملي که مانعي از حرکت نانوذره مي‌شوند) و رسوب‌گذاري گرانشي.

شكل 4- فاصله جابه‌جايي كه در آن،‌ بيش از 99 درصد نانوذرات حذف مي‌شوند در ضرايب چسبندگي شرايطي سطحي به شكل زير است:
تخلخل = 36.0 ، سرعت=1.0 m/day،
اندازه ذرات خاک=3.0 ميلي‌متر،
چگالي نانوذرات=7.6 g/Cm³
 

نانوذرات در محيط‌هاي متخلخل اغلب حركت براوني دارند. براي ذرات بزرگتر از 400 نانومتر با چگالي بالا‌ (مثلاً 7.68 g/cm² براي ذرات آهن خالص) تأثير جاذبه مي‌تواند بسيار مهم باشد. با استفاده از روش بازده single-Collector که به وسيله Tufenkji و Elimelech ارائه شده و تئوري فيلتراسيون deep-bed، اين امکان وجود دارد که بتوان فاصله جابه‌جايي را كه در آن، 99 درصد حذف نانوذرات به عنوان تابعي از خواص سطحي و ضريب چسبندگي صورت مي‌گيرد، محاسبه كرد.
شکل (4) نشان مي‌دهد که محدوده فاصله جابه‌جايي در شرايط سطحي متعارف، از چند ميلي‌متر تا چند ده متر متناسب با ضريب چسبندگي است.
ضريب چسبندگي گزارش شده براي nZVI معمولي در انواع محيط‌هاي متخلخل، بين 0.14 تا يك است؛ اين به معني فاصله جابه‌جايي چند سانتي‌متر در محيط‌هاي متخلخل در شرايط آب‌هاي زيرزميني است (شکل4). اين امر موجب ايجاد علاقه قابل ملاحظه‌اي براي تغيير سطح نانوذرات در جهت افزايش فاصله جابه‌جايي شده است.

بدين ترتيب ضرايب چسبندگي کوچک‌تري براي اين گونه نانوذرات و ساير نانوذرات گزارش شده است (0.001 براي نانوذرات Fe كه سطح آنها بهبود يافته است و 0.0001 براي نانوذراتي که پايه کربني دارند). اما حتي اين ضرايب چسبندگي کوچک هم به طور قطعي باعث تحرک بيشتر (بيش از چندمتر) نانوذرات در آب‌هاي زيرزميني نمي‌شود، به جز در آب‌هاي زيرزميني با سرعت حركت خيلي زياد.
خطرات
مباحث فوق در مورد ريخت‌شناسي، واکنش‌پذيري و تحرک نانوذرات در زمينه تصفيه ‌محيط زيست نشان مي‌دهد که دانش ما در مورد فرآيندهاي پايه در اين فناوري هنوز ناکافي است. به علاوه، خطرات احتمالي اين فناوري براي سلامت انسان و محيط‌زيست، انجام اين روش در مقياس انبوه را با مشكل مواجه كرده است. مخصوصاً با توجه به کاربردهاي درجاي nZVI (يا مواد وابسته) براي تصفيه محيط‌هاي متخلخل، هنوز تحقيقات مستقيم و قابل ملاحظه‌اي که خطرات آن را مورد توجه قرار دهد انجام نشده است. برخي گروه‌ها حالت احتياطي (پيشگرانه) را پذيرفته‌اند و کاربردهاي درجاي نانوذرات براي تصفيه را ممنوع کرده‌اند در حالي که برخي گروه‌ها آن را توصيه کرده‌اند. در واقع تحقيقات در اين زمينه بايد به طور موازي صورت گيرد.
اين معما که چگونه مي‌توان از نانوذرات براي تصفيه استفاده کرد بايد به زودي و با استفاده از نتايج تحقيقات در حال انجام، قابل حل و دسترسي باشد. مهم‌ترين اين خطرات استنشاق ذرات‌ريزي است که از طريق هوا جابه‌جا مي‌شوند.
به هر حال هم‌اکنون ما مي‌توانيم نتيجه بگيريم با اينکه nZVI و مواد مرتبط با آن، در کاربردهاي تصفيه‌اي درجا استفاده مي‌شوند، از مواد ويژه‌اي که در دسترس ما هستند کوچک‌تر، واکنش‌پذيرتر، مقاوم‌تر و متحرک‌تر بوده و در عين حال احتمال خطرزايي براي انسان و محيط زيست را دارا هستند.

فناوری نانو و محیط زیست

امروزه پیشرفت تکنولوژی و دستیابی انسان به روش‏های نوین برای استفاده از منابع طبیعی دستاوردهایی را به همراه دارد که علاوه بر تاثیرات فراوان در زندگی بشر، تاثیراتی منفی را نیز برای طبیعت به ارمغان می‏آورد.
به تازگی انسان متمدن به این تفکر رسیده است که شاید بتوان با استفاده از تکنولوژی مدرن و پیشرفته به کمک منابع طبیعی و محیطزیست شتابد که ازجمله آنها می‏توان به فناوری نانو و کاربرد آن در حفظ محیطزیست اشاره کرد.

تاثیرات مستقیم و غیرمستقیم فناوری نانو بر محیطزیست، از جنبه‏های مختلف قابل بررسی است. در حال حاضر، می‏توان موارد متعددی از کاربرد مواد نانو ساختاری در حفظ محیطزیست، از قبیل نانوفیلترها (برای تصفیه پساب‏های صنعتی)، نانوپودرها (برای تصفیه گازهای آلاینده خروجی از خودروها و واحدهای صنعتی) و نانوتیوب‏ها (برای ذخیره‏سازی سوخت کاملا تمیز هیدروژن) را برشمرد، اما دورنمای استفاده از این فناوری نوین بسیار گسترده‏تر از این گونه کاربردهای جزئی و مقطعی است. برخی از مهم‏ترین کاربردهای علمی شناخته شده فناوری نانو در زمینه محیطزیست نانوحسگرها، نانوفیلترها و کاتالیزورهای زیست‏محیطی هستند که به ترتیب به آنها اشاره می‏شود:

● نانوحسگرها 

نانوحسگر وسیله‏ای است بسیار ریز که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک‏های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر است. نانوحسگرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف ازجمله محیط زیست یافته‏اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.

● آلودگی هوا

 
یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیطزیست، پایش مستمر آلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت موثری در زمینه کنترل آلودگی هوإ؛ ّّ= صورت گرفت. با اختراع اولین نمونه‏های غبار هوشمند، تولید این گونه حسگرها به مرحله کاربرد علمی نزدیک شد. هدف اصلی از ساخت غبارهای هوشمند، تولید مجموعه‏ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه‏های بسیار سبک است. این نانوحسگرها به راحتی ساعت‏ها در هوا معلق باقی می‏مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می‏شوند و می‏توانند از طریق بی‏سیم موجود در خود، اطلاعات جمع‏آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات در نمونه‏های اولیه حدود یک کیلوبایت در ثانیه است.

● نشت گازهای مهلک

نشت گازهای مهلک یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متاسفانه هشداردهنده‏های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسایی این گونه گازهای نشتی می‏شوند. این نوع حسگرها از نانوتیوب‏های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده‏اند و می‏توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند. آنها همچنین قادر به شناسایی تعداد معدودی از مولکولهای گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی‏اند که این حسگرها برای شناسایی به هنگام گازهای بیوشیمیایی جنگی، آلاینده‏های هوا و حتی مولکولهای آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

● نانوفیلترها

یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب است. غشای مورد استفاده در فرایند نانوفیلتراسیون معمولا مولکول‏های بزرگ را دفع می‏کند و در مقایسه با روش‏های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه‏ها یا آب‏های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند. این فرایند قادر است انواع باکتری‏ها، ویروس‏ها، آفت‏کش‏ها، آلاینده‏هایی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. نظر به این که در فرایند نانوفیلتراسیون از هیچ ماده شیمیایی برای سختی‏گیری آب استفاده نمی‏شود، بنابراین اثرات منفی زیست‏محیطی آن به مراتب کمتر از روش‏های شیمیایی معمول است.
علاوه بر این، ذرات نانوساختار انعطاف‏پذیری زیادی در تصفیه آلاینده‏ها دارند. به عنوان مثال از ذرات نانوساختار برای تصفیه فوری خاک، رسوبات، ضایعات جامد، تصفیه آب و پسماندهای مایع استفاده می‏شود. تحقیقات نشان می‏دهد که ذرات دوفلزی نانوساختار مانند آهن - پالادیم، آهن - نقره و روی - پالادیم کاربردهای زیادی در تصفیه و پالایش آلوده‏کننده‏های محیط زیست، مانند آفت‏کش‏های کلرینه با منشا آلی و حلال‏های آلی هالوژنه یافته‏اند.
تجربه نشان داده است که استفاده از ذرات نانوساختار دو فلزی موجب می‏شود تا کلیه هیدروکربن‏های حاوی ترکیبات کلردار که بسیار سمی‏اند به هیدروکربن‏های بی‏خطر برای محیط زیست تبدیل شوند.
به علاوه، شواهد بسیار مبین این واقعیت است که ذرات نانوساختار با پایه آهنی، قادر به تجزیه آلودگی‏های بسیار پایدار همچون ترکیبات پرکلرات‏ها، نیترات‏ها، فلزات سنگین (نیکل و جیوه) و مواد رادیواکتیو مانند دی اکسید اورانیوم هستند.
علاوه بر این می‏توان از نانوساختارها برای رنگ‏زدایی از آب آشامیدنی استفاده کرد. رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ‏ها می‏توانند منشا تولیدتری هالومتان نیز باشند، بسیار خطرناک محسوب می‏شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان‏زا می‏شوند. رنگ موجود در آب طبیعی معمولا ناشی از وجود اسیدهای معدنی است. اسیدهای مذکور از تجزیه مواد آلی موجود در آب حاصل می‏شوند. اغلب روش‏های متداول برای تصفیه آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می‏توان تا ۹۹ درصد این گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد. همچنین تحقیقات نشان می‏دهد استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب می‏تواند هزینه‏های تصفیه را تا حدود زیادی کاهش دهد.

● نانوپلیمرهای متخلخل

هنگامی که آلاینده‏های آلی آب گریز از طریق آب وارد خاک می‏شوند، به راحتی توسط ذرات جامد غیرمحلول در آب جذب و از آب جدا می‏شوند. پدیده جذب و دفع این گونه آلاینده‏ها از آب به خاک و از خاک به هوا بسیار پیچیده است و به عوامل متعددی از قبیل حلالیت در آب، آب موجود در شبکه خاک و رقابت اجزای مختلف خاک برای جذب این ذرات بستگی دارد. هنگامی که بیش از یک مولکول آب گریز در محیط وجود داشته باشد، مولکول‏های آلاینده به جسمی متصل می‏شوند که از لحاظ شیمیایی بیشترین شباهت را به آنها داشته باشد. به همین دلیل نانوپلیمرهای متخلخل که شباهت زیادی به مولکولهای مواد آلاینده دارند، مناسب‏ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده‏های آلی از آب و خاک به شمار می‏روند. به طور کلی کاربردهای زیست‏محیطی این نانوساختارها عبارتند از:
۱ - جداسازی آلاینده‏های آلی از آب آشامیدنی.
۲ - تصفیه پسابهای واحدهای صنعتی مانند نیروگاه‏های هسته‏ای برای استفاده مجدد از آنها
۳ - پاکسازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی
۴ - پاکسازی منابع آب زیرزمینی از آلاینده‏های آلی
با توجه به این که نانوپلیمرهای متخلخل به کرات مورد استفاده قرار می‏گیرند، بنابراین هزینه‏های تصفیه به مراتب کمتر می‏شود.

● کاتالیست‏های زیست محیطی

از زمینه‏های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به عنوان کاتالیزورهای زیست محیطی برای تصفیه خروجی اگزوز اتومبیل‏ها و پالایش آب و هواست. کاتالیزورهای رایج که اغلب پایه پلاتین دارند، اگرچه راندمانشان کافی است، اما بسیار گران قیمت‏اند. به همین جهت کاتالیزورهای نانوساختاری به عنوان جایگزین ارزان قیمت کاتالیزورهای یاد شده مورد توجه قرار گرفته‏اند.

● پلیمرهای زیستی

 
از نانوساختارهایی مثل پلیمرهای زیستی می‏توان برای تولید تراشه‏های الکترونیکی استفاده کرد. طبق اطلاعات موجود، برای تولید هر گرم ریزتراشه ۳۲ مگابایتی، به مصرف ۸۵ گرم سوخت فسیلی و مواد شیمیایی و ۱۶ کیلوگرم آب نیاز است. با استفاده از فرایندهای نانو می‏توان شیوه مرسوم در تولید تراشه‏های نیمه هادی را تا حد بسیار زیادی بهبود بخشید. علاوه بر این، استفاده از فناوری نانو منجر به تولید مواد بی خطر به جای مواد سمی می‏شود.
برای مثال، مانیتورهای ساخته شده از مواد نانوساختار بسیار کم خطرتر از انواع مشابه ساخته شده از لوله‏های اشعه کاتدی (که حاوی مواد سمی‏اند) است و راندمان بالاتری هم دارد. نمایشگرهای ساخته شده از کریستال مایع ضمن کوچک بودن حاوی سرب نیستند و مصرف انرژی آنها بسیار کمتر از انواع مشابه کاتدی است. علاوه بر این استفاده از نانولوله‏های کربنی در نمایشگرهای کامپیوتری به کاهش مصرف فلزات سنگین در آنها کمک می‏کند و از این طریق از آسیب به محیط زیست می‏کاهد.

● نانوفیلترها

الکل‏هایی مانند اتانول به عنوان حلال یا ماده پاک‏کننده به وفور در صنایع مورد استفاده قرار می‏گیرند. این مواد در حین مصرف مقادیر زیادی از ناخالصی‏های مختلف را به خود جذب می‏کنند. با توجه به این که دور ریختن آنها پس از مصرف، اثرات زیانباری بر محیطزیست دارد، باید برای استفاده مجدد تصفیه شوند. روش‏های متداول از قبیل تقطیر، ضمن آلوده کردن محیط زیست انرژی زیادی را تلف می‏کنند. استفاده از نانوفیلترها گام موثری در حفاظت محیط زیست و صرفه‏جویی انرژی در این زمینه است.

● نانوپوشش‏ها

پوشش‏های نانوساختاری پیشرفته به خوبی بر سطوح مختلف از قبیل فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک می‏چسبند و تنها چند میکرون ضخامت دارند، ویژگی بارز این نانوپوششگرها خاصیت ضدخوردگی آنهاست که کاربرد پوششی آنها را در فلزات سبک از قبیل آلومینیم و منیزیم افزایش داده است. پوشش‏های یاد شده، در مقابل حرارت بسیار مقاومند و می‏توانند دما را تا ۷۰۰ درجه سانتی‏گراد تحمل کنند. استفاده از این نوع پوششگرها منجر به کاهش خوردگی فلزات می‏شود و در نهایت، محیط زیست را با کاهش میزان مصرف مواد خام حفظ خواهد کرد.
کاربرد دیگر پوششگرهای نانوساختاری، در حذف گرد و غبار از روی سطوح مختلف و کاهش مصرف پاک‏کننده‏هاست. این نانوذرات را به صورت یک لایه بسیار نازک برای روکش کردن سطوح مختلف از قبیل شیشه اتومبیل‏ها به کار می‏برند. بدین ترتیب کشش سطحی این سطح نسبت به محلول‏های آبدار به شدت کاهش می‏یابد. در نتیجه، مایع مذکور سطح پوشش داده شده را خیس نمی‏کند و به صورت قطراتی روی آن باقی می‏ماند و به سرعت زدوده می‏شود. این عمل فرایند خشک شدن را سرعت می‏دهد. بدیهی است که مصرف مواد شوینده به شدت کاهش می‏یابد و از آلودگی محیطزیست جلوگیری به عمل می‏آید.

● نانوپودرها

نانوپودرها موادی به شدت فعال‏اند که در دمای پایین ذوب یا آلیاژ می‏شوند. این پودرها در فرایندهای قالب‏گیری تزریقی و پوشش دادن سطوح مختلف مورد استفاده قرار می‏گیرند. نوعی از پودرهای نانوساختاری یاد شده که حاوی ذرات ریز آلومینیوم است، در صورت افزوده شدن به سوخت‏های جامد موشک‏ها شدت سوختن آنها را تا دو برابر افزایش می‏دهد. اضافه کردن این پودر به نفت سفید باعث تسریع در احتراق آن و درنتیجه کاهش تولید آلاینده‏های مختلف می‏شود.
آنچه از توانمندی‏های فناوری نانو ارائه شد به این معنی است که می‏توان از این روش‏ها برای حفظ محیط زیست در آینده‏ای نه چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبیعی با کمک فناوری‏های پیشرفته بتوان به تعاملی پایدار با طبیعت رسید.

روشهای کسب اطلاعات در ابعاد نانو

مقدمه
بخشی از فناوری نانو دنيایی را که هر روز در جريان است مطالعه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، فقط کمی عمیق تر و کمی پايين‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر آنجاهايي که ما با چشم‌‌‌‌‌‌‌‌‌هايمان نمی‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانيم مشاهده کنیم. پس برای ورود به این بخش از فضای نانو لازم است کمی به سراغ مطالب پایه فيزيک و شيمی برويم و مفاهيم اوليه را مرور کنيم؛ در این نوشتار ابتدا مروری بر مفاهیم پايه و اجزای ساختاری ماده صحبت خواهیم کرد سپس سراغ لوازم و ابزار و وسايلی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رويم که دنيایی را که در پايين وجود دارد، برای ما نمايان می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. انشاالله در مقالات بعدی هر کدام از اين ابزارها را بطور کامل شرح خواهيم داد.

اجزای سازنده مواد و نيروی بين آنها
برای درک از اجزای طبيعت باید به این نکته توجه کرد که اتمها بلوک‌‌‌‌‌‌‌‌‌های سازنده مواد هستند و هر ماده از اتمهای خاص تشکيل شده که وقتی در کنار يکديگر قرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گيرند مولکولها را شکل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند، تعداد اين اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها محدود است (بيش از صد نوع اتم) ولی وقتی کنار هم قرار میگيرند صدها هزار مولکول که هر کدام خواص متفاوتی دارند را تشکيل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند.
چيزي که اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها را در يک مولکول و مولکولها را در يک ماده کنار هم حفظ می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند نيروهايي است که مانند جاذبه و دافعه دو آهنربا عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. اين نيروها بين الکترونها و هسته اتمها وجود دارند و در نوع خود بسيار قوی هستند.
شنيده‌‌‌‌‌‌‌‌‌ايد که يک مورچه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند چند برابر وزن خودش را حمل کند! آيا شما مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانيد دوبرابر وزن خود را حکل کنید؟ با اين حساب مورچه قوی‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر است یا شما؟ اينکه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گوييم پيوند بين اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها در نوع خود خيلی قوی و مستحکم است دقيقاً مانند همین مثال قدرت مورچه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها است.
گفتيم که از اتصال مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها ماده ساخته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، در واقع شدت پيوند بين مولکولی و نيروی بين مولکولها سبب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود تا ماده به شکل مايع، جامد يا گاز باشد. البته نوع پيوندها نيز در رفتار ماده تاثير زيادی دارند، برای مثال بعضی پيوندها که به پيوند يونی معروف هستند باعث می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند ماده رسانای جريان برق باشد. تعداد و جهت و زاويه متفاوت يک نوع پيوند نيز سبب بروز خواص متفاوت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. برای مثال الماس و گرافيت هر دو از اتمهای يک عنصر يعنی کربن تشکيل شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند، ولي از آنجايي که تعداد و نحوه قرارگيری پيوندها بين اتمهایِ آن متفاوت است، الماس بسيار مستحکم است و گرافيت بسيار نرم.
مشاهده مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها با استفاده از ميکروسکوپ
ميکروسکوپی که شما در مدرسه از آن استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنيد تا سلولهای موجودات زنده را مشاهده کنيد بسيار ساده است و برای مشاهده دنيای نانو کارآمد نيست. امروزه انواع گوناگونی ميکروسکوپ وجود دارد که قادر است اطلاعات مفيدی از ابعاد نانو به ما بدهد. هر کدام از اين دستگاه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پيچيدگی خود را دارند و از ترفندهای مختلفی بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گيرند تا از ابعاد ريز و در حد و اندازه مولکولها به ما اطلاعات بدهند.
علاوه بر پيچيدگی و پر رمز و راز بودن اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها تفاوت اصلی آنها با ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ساده و نوري مدرسه این است که آنها بصورت غير مستقيم از دنيای نانو به کسب اطلاعات می‌‌‌‌‌‌‌‌‌پردازند. درست مانند اقيانوس شناسان که بدون رفتن به زير آب اقيانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و قدم زدن در کف آن، نقشه پستی‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و بلندی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کف اقيانوس را ترسيم می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند يا فضا نوردان که بدون سفر به تمام نقاط کره ماه یا هر سياره و ستاره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای ارتفاعات و کوه‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن سياره را شناسايي می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.
شبيه‌سازي كف دريا كه با استفاده از پردازش داده‌ها صورت مي‌گيرد، مدت‌هاست که در تحقيقات و مطالعات اقيانوس‌شناسي به كار مي‌رود. اقيانوس‌شناسانِ اوليه به انتهاي كابل‌هاي بلند وزنه‌هايي مي‌آويختند و ته دريا مي‌‌فرستادند. اين وزنه‌ها كف دريا را مي‌پيمودند و ناهمواري‌ها و شيارهاي آن را از طريق كابل‌ها روي كاغذهاي شطرنجي نقش مي‌كردند.
اقيانوس‌شناسان جديد، كابل و وزنه را به كناري نهاده‌اند و فناوري رادار را به خدمت گرفته‌اند. آنها امواج صوتي را از يك كشتي اقيانوس‌پيما به كف دريا گسيل مي‌كنند و با ثبت فاصلة كف با منبع گسيل‌كننده ناهمواري‌هاي كف را ترسيم مي‌نمايند.
ماهواره‌ها هم به همين روش مي‌توانند امواجي را به اعماق ناشناختة فضا بفرستند و با محاسبة زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگيرند.
اساس کار ميکروسکوپهای پيشرفته نيز مانند ماهواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و رادارها، کسب اطلاعات به صورت غير مستقيم است.

ميکروسکوپ نيروی اتمی AFM :
اين نوع ميکروسکوپ نيروی اتمی شباهت زيادی به کابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اقيانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌شناس‌‌‌‌‌‌‌‌‌های قديمی و کهنه کار دارد. یک جورهايي نيز شبیه دستگاه گرامافون از يک سوزن بسيار نوک تيز تشکيل شده که اين سوزن روی سطح لوح در شيار‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند و پستی - بلندی های سطح را به صدا تبديل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند.
و اما وظيفه ميکروسکوپ نيروی اتمی چيست؟
مي‌دانيم كه تمامي اجسام هراندازه هم كه به ظاهر صاف و صيقلي باشند، باز هم در سطح خود داراي پستي و بلندي و ناصافي‌هايي هستند. به عنوان مثال سطح شيشه بسيار بسيار صاف و صيقلي به نظر مي‌رسد، اما اگر در مقياس خيلي کوچک به آن نگاه کنيم، خواهيم ديد که سطح شيشه پر از ناصافي‌ها يا به عبارتي "دست انداز" است. كار ميكروسكوپ نيروي اتمي نشان‌دادن اين ناصافي‌ها و اندازه‌گيري عمق آنهاست. ثبت چگونگي قرارگيري و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستي و بلندي‌ها در يك سطح خاص از ماده را "توپوگرافي" مي‌نامند.
همانطور که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دانيد نيروهاي بسيار کوچکي بصورت جاذبه و دافعه بين اتمهاي باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و جذب مي شوند.) چنين نيروهايي بين نوک ميکروسکوپ و اتمهاي سطح ايجاد مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌گردد. با اندازه گيري نيروي بين اتمها در نقاط مختلف سطح، مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌توان محل اتمها روي آن را مشخص کرد.
برای آشنايي بيشتر با ميکروسکوپ نيروی اتمی به مقاله‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که در اين مورد در باشگاه نانو نوشته شده مراجعه کنيد

ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی SEM :
در ميکروسکوپ نيروی اتمی يک انبرک با نوک بسيار حساس روی سطح حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و اطلاعات مورد نياز را از ابعاد نانومتری به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌داد. حال اگر به جای نوک و انبرک از الکترون استفاده کنيم ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی ساخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ايم.
اين دسته میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پروتويي از الکترونها را به هر آنچه که مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌خواهند بررسی و مطالعه کنند، شليک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، به این ترتيب انرژی الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های شليک شده به سطح مورد نمونهِ موردِ مطالعه منتقل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. الکترونهای پرتو (که الکترونهای اوليه ناميده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) الکترونهای نمونه را جدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. اين الکترونهای جدا شده (که الکترونهای ثانويه ناميده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) به سمت صفحه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که دارای بار مثبت است کشيده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند و در آنجا تبديل به "سيگنال" می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند. اين سيگنالها توسط رايانه به تصاوير قابل مشاهده تبديل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند.
ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی علاوه بر اطلاعات توپوگرافی؛ شکل، اندازه و نحوه قرار گيری ذرات در سطح جسم را که به مورفولوژی جسم معروف است به ما مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. نوع های پيشرفته تر اين دستگاه قادر هستند که ترکيب اجزایی که نمونه را می‌‌‌‌‌‌‌‌‌سازد را نيز مشخص کنند.
اين ميکروسکوپ برای مشاهده نمونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌هايي که از خود بخار آزاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، مناسب نيست چرا که بخارات توليد شده با الکترونهای شليک شده به نمونه برهم‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنش پيدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. برای رفع اين عيب ميکروسکوپهايي به بازار آمده که قادرند در دمای بسيار پايين و از نمونه منجمد تصوير برداری کنند.

ميکروسکوپ انتقال الکترونی TEM :
در ميکروسکوپِ SEM الکترون اوليه پس از شليک به سطح نمونه برخورد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و الکترون ثانويه از همان سطح نمونه خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد و به سمت صفحه مثبت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رفت و تبديل به سيگنال می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد. در واقع در آن ميکروسکوپ، نمونه مانند یک آينه عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ثانويه از همان سطحی خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اوليه وارد شده بودند (فقط با زاويه متفاوت).
ميکروسکوپهای TEM نيز همانند SEM از تکنيک شليک الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها به نمونه بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌برند با اين تفاوت که در ميکروسکوپ انتقال الکترونی (TEM) پروتو الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که به نمونه شليک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند، از نمونه عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند و به یک پرده فسفریِ آشکارساز می‌‌‌‌‌‌‌‌‌خورند تا يک طرح از ساختار نمونه به ما ارايه دهند. به عبارت ساده‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر TEM يک نوع پروژکتور نمايش اسلايد در مقياس نانو است.
وضوح و دقت تصاوير گرفته شده توسط ميکروسکوپ انتقال الکترونی از پيمايشگر الکترونی بهتر است اما به سبب گران بودن آن و همچنین سخت‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر بودن مراحل آماده سازی نمونه برای قرار گرفتن در زير ميکروسکوپ انتقال الکترونی، بيشتر از SEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و فقط در مواردی که ساختار بلوری(نحوه قرار گيری اتمها در شبکه بلور) مهم باشد از ميکروسکوپ TEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.

ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی STM :
اگر بخواهید از سطح صلبی تصوير برداری کنید که الکتريسيته را عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد لازم است تا از ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی استفاده کنید. اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها شباهت زيادی به ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌های نيروی اتمی (AFM) دارند در اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها از نوعی جريان الکتريسته استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود که زمانی‌‌‌‌‌‌‌‌‌که نوک در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری از آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، برقرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. در اين زمان جريان شروع به انتقال از سطح به نوک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. توجه داشته باشيد که بين نوک و سطح فاصله وجود دارد و الکترونها از يک سد انرژی عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند (به اين فرآيند اصطلاحاً تونل زنی گفته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود) در حين تونل زنی اگر جريان ثابت باشد تغييرات فاصله نوک تا نمونه اطلاعات سطح را به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. اگر هم فاصله نوک و نمونه را ثابت نگه داريم تغييرات جريان تونل زنی اطلاعات سطح را به ما خواهد داد. اينکه از کدم مد يا حالت استفاده کنيم به شرايط نمونه و خواسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ما ربط دارد. معمولاً در حالتی که سطح نمونه نامنظم باشد از مد جريان ثابت استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و زمان بيشتری را به نسبت مد ارتفاع ثابت لازم دارد.

ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و جايزه نوبل
نخستين ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی (SEM) در سال 1942 ميلادی عرضه شدند و شکل امروزی آن اولين بار در سال 1965 ميلادی وارد بازار شدند. ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی نيز در سال 1981 در آزمايشگاه تحقيقاتی شرکت IBM اختراع شد و مخترعان STM در سال 1986 همراه با ارنست روسکا که از جوانی روی ميکروسکوپهای الکترونی کار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد برنده جايزه نوبل فيزيک شدند.

تلاش‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آنزمان دانشمندان برای دسترسی به فضای ريز و مقياس نانو باعث شد تا امروزه فناوری نانو به عنوان يک فناوری مهم و تاثير گذار مورد توجه قرار گيرد.

تجارت آب مجازي : ادبيات جهاني و كاربرد در ايران

آبي كه در مراحل مختلف توليد يك كالا استفاده مي‌گردد آب مجازي ذخيره شده و كالا ناميده مي‌شود. تجارت جهاني كالاها يك جريان بين المللي از آب مجازي را بوجود مي‌آورد. كشورهاي كم آب مي‌توانند با واردات محصولات آب بر، نظير مواد غذايي آبي را كه براي توليد آن نياز است را در بخشهاي ديگر مصرف كنند. اين تجارت با در نظر گرفتن مزيت نسبي كشورهاي صادر كننده در توليد محصولات غذايي صورت مي‌گيرد از اينرو كشوري به صادرات مواد غذايي مي‌پردازد كه از نظر منابع و عوامل توليد شرايط بهتري در توليد محصولات نسبت به كشورهاي وارد كننده داشته باشد. واردات آب مجازي بخش‌هاي مختلف اقتصادي و اجتماعي يك كشور را تحت تاثير قرار مي‌دهد و با امنيت غذايي آن ارتباط مستقيم دارد. مطالعات زيادي در اين زمينه به منظور تحريك سياست‌هاي كلان كشورها به سمت توسعه تجارت آب مجازي انجام شده است هدف از ارائه اين مقاله معرفي و طبقه بندي مباحث مطرح شده در اين زمينه است. همچنين با اشاره اي به ضرورتها و كاربرد اين تجارت در ايران بع معرفي برخي از نيازمنديهاي مطالعاتي در كشور پرداخته شده است. متن كامل مقاله به صورت PDF

ارزيابي زيست محيطي راهبردي منابع آب

در برنامه ريزي پروژه‌هاي توسعه منابع آب همواره بايستي جنبه‌هاي زيست محيطي و بهداشتي آب و لزوم پيشگيري از حوادث تلخ و ناگوار را مد نظر قرار داد به عبارت ديگر اعمال مديريت و كنترل بر كيفيت آب، و موضوعات زيست محيطي ذيربط و همچنين جنبه‌هاي بهداشتي و تندرستي را بايستي جزء لاينفك از برنامه ريزي‌هاي منابع‌ آب به شمار آورد. در سالهاي اخير نيز حركتي به سمت ايده ارزيابي زيست محيطي راهبردي پديد آمده است كه ممكن است بهترين نقطه شروع براي شامل كردن ارزيابي اثرات زيست محيطي در درون يك سيستم مديريت زيست محيطي تكميلي باشد كاربرد ارزيابي زيست محيطي در سطح سياست‌ها، طرح‌ها و برنامه ها، كار نگاه كردن به اثرات تجمعي، راه حلهاي جايگزيني آن و اقدامات اصلاحي را آسانتر مي‌كند. اين مورد اجازه مي‌دهد كه نتايج ضمني زيست محيطي پيش بيني شوند و توسعه‌ها در جهت صحيح از آغاز پروژه‌ هدايت شوند، بجاي آنكه بيشتر تحت تاثير ماهيت واكنشي ارزيابي اثرات زيست محيطي قرار گيرند. در اين مقاله، مدل پيشنهادي سلسله مراتبي در ارزيابي زيست محيطي راهبردي در فرآيند انتقال آب بين حوزه‌اي ارائه شده است كه با توجه به آن لزوم شفاف سازي استراتژي و سياستهاي بلند مدت و منسجم در خصوص مسائل كلان بخش آب مانند فرآيند‌هاي انتقال آب بين‌حوزه‌اي به چشم مي‌خورد. متن كامل مقاله به صورت PDF

مدلسازي يكپارچه منابع آب، مطالعه موردي، حوضه آبريز زاينده رود

مديريت مجزا بر منابع آب تا كنون خسارتي را بر پيكره‌هاي آبي اعم از سطحي و زيرزميني وارد نموده است. لذا امروزه مديريت جامع و يكپارچه آب به ويژه در مناطقي كه با محدوديت نسبي منابع آب روبرو هستند به عنوان ضرورتي اجتناب ناپذير شده است مفاهيم و اصول اوليه اين نگرش جديد به منابع آب در حال تدوين است و به ويژه مدلسازي رفتار تلفيقي كمي و كيفي آبهاي سطحي و زيرزميني در اين ميان از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. در اين مقاله ابتدا به لزوم نگرش مديريت يكپارچه بر منابع آب به ويژه در مقايسه‌هاي بزرگ نظير حوضه‌هاي آبريز پرداخته و سپس ضمن بيان محدوديت‌ها و مزاياي مدل‌ شبيه سازي رفتاري اين سيستم پيچيده به كاربردي از آن در حوضه آبريز زاينده رود پرداخته شده است. حوضه آبريز زاينده رود به دليل تبادلات كمي و كيفي رودخانه زاينده رود با آبخوانهاي زيرين آن و نيز وسعت حوضه آبريز و همچنين انواع مصارف و آبهاي برگشتي به رودخانه و آبخوانهاي آن از پيچيدگي هاي خاصي برخوردار است كه سعي گرديده نتايج اجراي آن در زير حوضه لنجانات در اين مقاله ارائه گردد. شبيه سازي يكپارچه منابع آب براي يك سال آبي (80-1379) كاليبره و براي دو سال بعد(82-1380) با دوره‌هاي زماني يك ماه اجرا گرديده است نتايج براي خطوط همتراز آب زيرزميني به عنوان عامل كمي و نيز خطوط هم هدايت الكتريكي به عنوان عامل كيفي ارائه شده است. متن كامل مقاله به صورت PDF

نقش مشاركت مردم در حفاظت تالاب‌ها

«تالاب‌ها» از اجزاي كليدي سيماي طبيعي زمين به شمار مي‌روند كه از اهميت زيبايي شناسي بالايي برخوردارند و براي اقشار مختلف مردم از جنبه‌هاي گوناگون ارزشمند است. در برخي از جوامع روابط پيچيده فرهنگي و اجتماعي، بين مردم و تالاب هاي برقرار است لذا توجه به نقش مردم در برنامه ‌هاي مديريتي و بالطبع حفاظتي تالاب‌ها، بخصوص در مناطق ساحلي از اهميت خاصي برخوردار است.در واقع تالاب‌ها مراكز مطمئني در حفظ جوامع و تنوع زيستي و فرهنگي به شمار مي‌روند، در بيشتر مناطق نيز مردم از تالاب‌ها به عنوان مراكز تفريحي استفاده مي‌كنند. در كشورهاي توسعه يافته، دولت‌ها با فراهم نمودن امكانات آموزشي ، پژوهشي و تفريحي براي استفاده مردم زمينه‌هاي لازم در جهت حفاظت از تالاب‌ها را فراهم مي‌نمايد. در كشور ما نيز ضروري است كه با آشنا كردن اقشار مختلف مردم اعم از دانش آموزان ، دانشجويان و عامه مردم با كالاها و خدمات بالفعل و بالقوه تالاب‌ها، فرهنگ مشاركت در حفاظت از اين پهنه‌ها ارتقا يابد. توجه به نيازها و خواسته‌هاي مردم در توسعه، حفاظت و برنامه‌ريزي براي تالاب‌ها، از ملزومات مشاركت مردم در برنامه ‌هاي مديريت و حفظ اين عرصه ها به شمار مي‌رود. در مقاله حاضر ضمن بررسي اجمالي اهميت تالاب‌ها، نقش بالقوه عموم مردم، اعم از افراد بومي نزديك به تالاب‌ها و نيز بازديدكنندگان از اين عرصه‌ها، در مديريت و حفاظت از آنها مطرح مي‌شود، در همين راستا تجارب برخي از كشورها در زمينه استفاده از مشاركت عموم مردم واكاوي شده و در پايان روش‌هاي مناسب اطلاع رساني در رابطه با مديريت و حفاظت از اين اكوسيستم‌ها به هريك از گروه‌هاي هدف مورد بررسي قرار مي‌گيرد . متن كامل مقاله به صورت PDF

رابطه دبي رسوب و پارامترهاي هيدروليكي در بازه‌هاي رودخانه‌هاي كوهستاني

هنگامي كه وضعيت جريان به گونه‌اي باشد كه معيار آستانه حركت تامين شود، دانه‌هاي رسوب در طول بستر رسوبي، شروع به حركت مي‌كنند. انتقال ذرات رسوبي به دو شكل بار بستر و معلق صورت مي‌گيرد. با توجه به تصادفي بودن طبيعت حركت رسوب در طول بستر، تعيين اينكه در چه شرايطي از جريان، درات رسوبي به حركت در مي آيند ، بسيار دشوار است. در اين مفاله سعي شده است كه با توجه به اندازه گيري هاي سرعت جريان ، بار بستر عبوري و قطرات انتقالي و نيز محاسبه تنش برشي و پارامتر شيلدز، رابطه‌اي بين عوامل موثر بر انتقال بار بستر بيابيم. از آنجا كه تعيين بار بستر رودخانه از اهميت بسزايي برخوردار است و متاسفانه در كشور ما در زمينه بار بستر رودخانه‌ها و حتي آبراهه‌هاي مرتبط با پروژه‌هاي آبي، مطالعات قابل توجهي صورت نگرفته است، با بررسي مكانيسم رسوب انتقالي در سرشاخه رودخانه زاينده‌رود، سعي شده است قدمي در جهت رفع كاستي‌هاي موجود برداشته شود. مقايسه بين پارامترهاي هيدروليكي و هيدرولوژيكي موجود در رودخانه با بار بستر ، مي‌تواند نشانگر قوت و ضعف هر يك از آن‌ها در تخمين انتقال رسوب باشد. در پايان مبحث معادله‌اي كه بيانگر انتقال دقيق‌تر بار بستر سرشاخه رودخانه زاينده‌رود است ارائه خواهد شد. متن كامل مقاله به صورت PDF

میکروسکوپ پیمایشگر تونلی

در امر فناوری نانو ابزار و تجهیزات نقش مهمی را ایفا می کنند چرا که بدون ابزار مسلما فعالیت در حوزه نانو امری غیرممکن است. در گذشته به علت ضعف فناوری و نیز نبودن وسایل اندازه گیری و آنالیز بسیاری از محققان حتی نمی دانستند که تحقیقی که انجام می دهند در حوزه فناوری نانو است. مثالی از این مورد را می توان در شیشه های رنگی کلیسا ها پیدا کرد که مربوط به چند صد سال قبل است و امروزه محققان با کمک ابزارهای بررسی و آنالیز به این امر پی برده اند که در ساخت این شیشه ها فناوری نانو بکار رفته است.
در این سری از مقالات سعی می شود تا تجهیزات و ابزارهای مورد استفاده در این فناوری برای محققان و علاقمندان به تحقیق در این حوزه معرفی شود. در این مقاله به معرفی میکروسکوپ پیمایشگر تونلی می‌پردازیم که جدیدا توسط آقای دکتر صابر در مرکز تحقیقات علوم و تکنولوژی در پزشکی ساخته و ارائه شده است.

شکل 1) نمایی از NAMA-STM ساخته شود توسط محقق ایرانی

میکروسکوپ پیمایشگر تونلی (Scanning Tunneling Microscopy) که به طور اختصار به آن STM گفته می شود برای بررسی و تصویربرداری از سطوح صلب و فلزی که الکتریسیته را عبور می دهند بکار می رود. این میکروسکوپ نتیجه تحقیقات Russell Young و همکارانش در فاصله 1965-1971 در مرکز تحقیقات ملی است.
در این میکروسکوپ از نوعی جریان الکتریسیته (جریان تونلی) استفاده می شود که علت نامگذاری آن است. زمانی که نوک میکروسکوپ در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری آن حرکت می‌کند جریان برقرار می شود (شکل 2).

شکل 2) نوک قلم STM آنقدر تیز و باریک است که به راحتی در بین اتم ها بالا و پایین می رود

نوک قلم بر روی یک تیوب فیزوالکتریک قرار دارد. زمانی که ولتاژ به الکترودهای متصل به این تیوب داده می شود با اندک تنظیماتی می توان جریان ثابت تونلی ایجاد کرد و در هنگام اسکن، نوک را در فاصله ثابتی از نمونه سطح قرار داد. حرکت تیوب فیزوالکتریک ثبت می شود و به صورت یک تصویر به نمایش در می آید. با استفاده از میکروسکوپ پیمایشگر تونلی می توان اتمهای منفرد روی سطح نمونه را به صورت سه بعدی مشاهده کرد. از این تکنیک برای اجسامی مانند مواد رسانا و مولکول های DNA استفاده می شود (شکل3).

شکل 3) نمای شماتیک از نحوه کارکرد STM

مزیت این نوع تصویربرداری این است که نیاز نیست با کار در خلاء انجام شود (در اکثر موارد از خلاء برای جلوگیری از آلوده شده نمونه استفاده می شود) بلکه می توان از آن برای آنالیز اجسام در هوا یا مایعات نیز استفاده کرد. شکل 4 نمایی از سطح فلز مس را نشان می دهد که توسط M. F. Crommie, C. P. Lutz, and D. M. Eigler در مرکز تحقیقات IBM گرفته شده است. این محققان توانستند با وضعیت دهی به اتمها از نمونه تصویربرداری کردند.

شکل 4) تصویر گرفته شده از سطح نمونه مس در IBM

منابع:
1. کتاب فناوری نانو در علوم پزشکی و مهندسی
2. www.umsl.edu/~fraundorfp/stm97x.html
3. www.physnet.uni-hamburg.de/home/vms/pascal/stm.htm
4. http://nobelprize.org/educational_games/physics/microscopes/scanning/index.html

اندازه گیری زوایای بازتابش و شکست

اندازه گیری زوایای بازتابش و شکست

هدف

هدف از انجام این آزمایش تحقیق قوانین اسنل و دکارت می‌باشد.

وسایل لازم

یک نقاله پلاستیکی سفید - یک ظرف - مقداری آب - شیشه - یک چشمه نور قابل تنظیم - یک ورقه صیقلی شده نقره یا فولاد.

تئوری

همه اجسام ، چه شفاف و چه کدر ، مقداری از نور را که به آنها برخورد می‌کنند، بازتاب می‌دهند. بیشتر سطحها نور را در راستاهای زیادی می‌فرستند. به کمک این نور بازتابی است که اجسام روشن شده را می‌بینیم و آنها را از محیط اطرافشان تشخیص می‌دهیم. وقتی نور به یک سطح برخورد می‌کند قسمتی از آن منعکس می‌شود و قسمتی به داخل آن ماده وارد می‌شود. قسمتی که منعکس می‌شود پرتو بازتابیده است که طبق قانون بازتابش با زاویه فرود برابر است.

البته طبق همین قانون می‌دانیم که پرتو فرودی ، پرتو بازتابیده و خط عمود بر سطح در نقطه تماس همگی در یک صفحه واقعند. قسمت دیگر نور فرودی که وارد محیط دوم می‌شود پرتو شکست نام دارد و متناسب با قانون دوم اسنل زاویه آن با خط عمود بنا به رابطه:

n₂ Sin ө₂ = n₁ Sin ө₁

که ө₁ زاویه فرود و ө₂ زاویه شکست و n₁ و n₂ به ترتیب ضریب شکست محیط اول و دوم است، رفتار می‌کند. مجددا طبق همین قانون ، پرتو فرودی ، پرتو شکست و عمود بر سطح همگی در یک صفحه قرار دارند. ضریب شکست به جنس محیط بستگی دارد.

Sin ө₁/Sin ө₂ = n₂/n₁ = n₂₁

که n₂₁ ثابتی است که به آن ضریب شکست محیط 2 به محیط 1 می‌گویند. ضریب شکست یک محیط نسبت به محیط دیگر عمدتا با طول موج تغییر می‌کند. با استفاده از همین خاصیت شکست است که می‌توانیم باریکه نور را به طول موجهای تشکیل دهنده آن تجزیه کنیم.

آزمایش 1: بازتاب و پخش آینه‌ای

صفحه سفیدی را در اتاقک تاریکی قرار داده ، آینه‌ای را بر این صفحه منطبق کنید. سپس جسمی را روبروی این مجموعه قرار دهید. منبع نوری را در فاصله مشخصی از این مجموعه قرار دهید. عمل منبع نور روی صفحه سفید چگونه است؟ روی آینه چطور؟ مشاهدات خود را بر اساس کدام قانون فیزیک نور توضیح می‌دهید؟

مشاهده می‌کنید که کاغذ کاملا روشن به نظر می‌رسد و نسبت به زمینه تاریک رنگ آن سفید است. با اینکه شدت نوری که به هر سطح می‌رسد تقریبا مساوی است، چنانکه از بازتابش شمع سفید در آینه معلوم است، آینه نور را خیلی خوب بازتاب می‌دهد. پس چرا در عکس کاغذ روشنتر از آینه است.

نتیجه آزمایش1

آینه بازتابنده خوبی است و نور لامپ را که دور از دوربین عکاسی است باز می‌تابد، ولی جهت بازتابش آن که یگانه هم هست در جهت دوربین نیست. پس پرتو بازتابی به دوربین نمی‌رسد به همین جهت تاریک به نظر می‌رسد، در حالی که کاغذ بازتابنده خوبی نیست و نور فرودی را در تمام جهتها باز می‌تاباند و قسمتی از آن هم به دوربین عکاسی می‌رسد، به همین جهت قسمتی از آن روشن به نظر می‌رسد.

آزمایش 2

یک صفحه مقوایی سفید را روی یک بازتابنده خوب مثل یک آینه قرار دهید و منبع نور را چنان قرار دهید که پرتو نور مماس بر صفحه مقوایی باشد. سعی کنید با تغییر زاویه بین صفحه مقوایی و آینه پرتو بازتابش را هم روی مقوا بیندازید. یعنی پرتو بازتابش هم بر صفحه مماس شود. سپس زاویه بین مقدار آینه را اندازه بگیرید. این کار را برای حالتهای مختلفی از جمله منابع مختلف و بازتابنده‌های مختلف انجام دهید. مقدار این زاویه چگونه تغییر می‌کند؟

در مرحله بعدی ، از وسط ورقه مقوایی خطی عمود بر یکی از لبه‌های آن رسم کنید. سپس مانند حالت قبل ورقه مقوایی را در وضع عمود بر سطح بازتابنده طوری قرار دهید که انتهای خط رسم شده بر نقطه‌ای قرار گیرد که شعاع نور در آن به سطح بازتاننده می‌خورد. حال زاویه بین خط عمود روی مقدار و آینه را اندازه بگیرید و این کار را همانند حالت اول برای شرایط مختلف امتحان کنید. چه چیز نتیجه می‌شود؟

نتیجه آزمایش2

مسلما در حالت اول مشاهده کردید که برای آنکه پرتو تابش و بازتابش هر دو روی صفحه مقوایی بیفتد همواره باید ورقه مقوایی بر سطح بازتاباننده عمود باشد و همینطور در حالت دوم چون خط عمود روی مقواست، سپس در همان صفحه‌ای است که دو شعاع نور قرار دارند و بر صفحه بازتاباننده نیز عمود است. این مشاهدات قانون اول بازتاب آینه‌ای را بدست می‌دهد. وقتی نور از یک سطح تخت آینه‌ای بازتابیده می‌شود، پرتو فرودی ، پرتو بازتابیده و خط عمود بر سطح در نقطه تماس همگی در یک صفحه واقعند.

آزمایش 3: رابطه زوایای فرود و بازتاب

در همان آزمایش شماره 2 صفحه مقوایی را مورب کنید، بطوری که خط عمود بر صفحه شما منطبق باشد و فصل مشترک صفحه آینه ˚90 باشد. سپس زاویه پرتو تابش نسبت به خط عمود روی صفحه مقوایی را تغییر دهید و در هر حالت زاویه بازتابش را از روی صفحه مقوایی و آن را با زایه تابش مقایسه کنید. چه نتیجه می‌گیرید؟

نتیجه آزمایش 3

مشاهده خواهید کرد زاویه بین پرتو بازتابیده و خط عمود که زاویه بازتاب نامیده می‌شود، با زاویه بین فرودی و خط عمود ، به نام زاویه فرود ، مساوی است و طی آن قانون دوم بازتاب آینه‌ای بدست می‌آید: زاویه بازتاب برابر با زاویه فرود است.

آزمایش شماره 4: شکست نور

ابتدا پرتو نوری را توسط یک منبع نوری به سطح جدا کننده هوا و آب بتابانید، یک نقاله پلاستیکی سفید را چنان قرار دهید که نیمی از آن در هوا و نیمه دیگر داخل آب باشد، سعی کنید پرتو فرودی و پرتو شکست یعنی پرتوی که از سطح جدا کننده دو محیط عبور کرده و وارد محیط دوم شده را روی نقاله بیندازید سپس زاویه بین نقاله و مرز مشترک دو محیط را اندازه بگیرید این کار را برای مواد مختلف بجای آب انجام دهید، زاویه بین نقاله و مرز مشترک دو سطح چگونه تغییر می‌کند؟

نتیجه آزمایش 4

مشاهده خواهید کرد که در همه حالتها نتیجه یکسانی بدست می‌آید. در همه حالتها این زاویه ˚90 اندازه گیری می‌شود که در قانون اول شکست خلاصه شده است: پرتو فرودی ، پرتو شکست و خط عمود بر سطح همگی در یک صفحه قرار دارند.

آزمایش 5: ارتباط زاویه شکست و زاویه فرود

همانند آزمایش 4 ، نقاله پلاستیکی را طوری قرار دهید که نیمی از آن داخل آب و نیم دیگر در هوا باشد و نقاله پلاستیکی را عمود بر مرز مشترک دو محیط قرار دهید. پس پرتو فرودی را تحت زوایای مختلف بتابانید و در هر مورد زاویه شکست را از روی نقاله بخوانید. سپس نمودار زاویه شکست را بر حسب زاویه فرود رسم کنید. نمودار زاویه فرودی بر حسب زاویه بازتابش رسم کنید. همین آزمایشها را برای مواد مختلف به عنوان محیط دوم امتحان کنید. مشاهدات شما چگونه است؟

نتیجه آزمایش 5

با قرار دادن یک خط کش راست روی قسمتهایی از منحنی‌ها ، شیشه و آب متقاعد می‌شویم که برای زوایای فرد بین صفر تا ˚30 یا ˚40 هر دو منحنی تقریبا راست هستند و هر دو از مبدأ دستگاه مختصات می‌گذرند. بنابراین ، در این گستره زاویه شکست با زاویه فرود متناسب است. اگر زاویه r زاویه شکست و i زاویه تابش باشد می‌توان نوشت: ثابت×i = r. همینطور مشاهده می‌شود که مقدار ثابت به جنس ماده‌ای بستگی دارد که نور از هوا به آن وارد می‌شود. این تقریب برای زوایای کوچک متغیر است، ولی برای تمام زوایای صادق نیست.

قانون اول اسنل

یافتن یک معادله ریاضی که با منحنی تجربی جور باشد، ممکن است کار ساده‌ای نباشد. سابقه این کار به هزاران سال پیش به بطلیموس برمی‌گردد. در قرن هفدهم اسنل ریاضیدان هلندی این قانون فرمول بندی شد. برای ایجاد ارتباط مناسب بین دو زاویه فرود و شکست اولا باید توابعی داشته باشیم که نسبت دو تابع برای زوایای شکست و فرود برابر نسبت ضریب شکست دو محیط و مقدار ثابتی باشد. از طرفی برگشت پذیری مسیر نور مستلزم این است که هر دو زاویه تابع یکسانی داشته باشند.

به علاوه ، برای زوایای کوچک نسبت توابع باید به نسبت خود زوایا تبدیل شود. تابعی که در این شرایط صدق کند SinӨ است. در واقع ، این تابع که به قانون اسنل معروف است. با استفاده از نتایج آزمایش 5 مشاهده می‌کنید که پشت سینوس زوایای فرود و شکست برای تمام زوایا مقدار ثابتی است.

چند سوال

1. وقتی ماده در همان طرفی از زمین است که خورشید قرار دارد، با وجودی که در این وضع سطح ماه بوسیله خورشید روشن نمی‌شود، ولی اغلب در تاریکی دیده می‌شود. این امر چگونه اتفاق می‌افتد؟
   
   
2. چه مقداری را می‌توانید ضریب شکست هوا نسبت دهید (حداقل با یک تقریب بسیار خوب).
   
   
3. ضریب شکست آب نسبت به هوا در 20 c˚ برابر 1.33299 است. آیا پیش بینی شما این است که ضریب شکست مطلق (ضریب شکست هر ماده در خلأ ضریب شکست مطلق نامیده می‌شود) آب در این دما کمی بیشتر از این مقدار باشد یا کمی کمتر از آن؟
   
   
4. ضریب شکست برای نوری که از هوا وارد ماده X می‌شود چقدر است؟

انواع تلسکوپ

نجوم آماتوری راهگشایی برای استفاده از تلسکوپ

شاید همین نکته راز اقبال بسیار گسترده مردم عادى به نجوم باشد، هر چند که فیزیک آماتورى و شیمى آماتورى نداریم، اما نجوم آماتورى از طرفداران بسیارى برخوردار است. راز این علاقه نیز در یکى از مهمترین اختراعات بشر نهفته است: تلسکوپ. پیش از اختراع تلسکوپ جهان بسیار کوچک بود و به زمین ، خورشید ، پنج سیاره و تعدادى ستاره محدود مى‌شد. اما پس از اختراع تلسکوپ گستره وسیعترى از جهان در مقابل دیدگان ما قرار گرفت. فهمیدیم که کهکشان ما مجموعه‌اى از ستارگان است که قطر آن به چند هزار سال نورى مى‌رسد. گذشته از کهکشان ما ، میلیونها کهکشان در عالم وجود دارد که هر کدام تعداد بى‌شمارى ستاره دارند.

تلسکوپ یکى از مهمترین اختراعات قرن هفدهم است، هر چند که دانشمندان سالها پیش از توانایى عدسى براى بزرگتر کردن اجسام مطلع بودند. اولین تلسکوپى که عملاً مورد استفاده قرار گرفت در سال 1608 ساخته شد. هانس لیپرهى و یاکوب متیوس از جمله اولین افرادى بودند که توانستند تلسکوپى با قدرت کم بسازند. اما گالیله کسى بود که توانست در سال 1609 با استفاده از تلسکوپ به مشاهده دقیق اجرام آسمانى بپردازد. وى توانست با استفاده از تلسکوپ خود به تماشاى اقمار مشترى بپردازد و تصویرهایى از آن رسم کند. از زمان گالیله به بعد ساخت تلسکوپ با پیشرفتهاى فراوانى همراه بوده است.

تلسکوپ شکستی

در تلسکوپ شکستی ، یک عدسی ، نور را جمع می‌کند و تصویری از جسم بوجود می‌آورد. این عدسی که در جلوی آن است، عدسی شیئی نامیده می‌شود. یک یا چند عدسی کوچک دیگر که چشمی نام دارد، برای دیدن تصویر بدست آمده از شیء بکار می‌رود. در تلسکوپ شکستی ، عدسی شیئی تصویری از جسم بوجود می‌آورد و عدسی چشمی آن را درست می‌کند.

شاید ندانید که اخترشناسان ، همیشه مایل به استفاده از درشتنمایی‌های بسیار زیاد نیستند. در یک تلسکوپ ، چشمیهای گوناگون ، درشتنمایی‌های گوناگون ایجاد می‌کنند. ولی هر قدر تصویر یک ستاره را درشت‌تر کنیم، باز هم چیزی جز یک نقطه نورانی نخواهیم دید! قطر شیئی بزرگترین تلسکوپ شکستی جهان ، 1.1 متر است. مسائل زیاد سبب می‌شوند که ساختن تلسکوپهای بزرگتر ، اخترشناسان از آینه خمیده استفاده می‌کنند و تصویر جسم را بعد از تابش نور آن ، بدست می‌آورند.

تلسکوپ بازتابی

اخترشناسان در بیشتر کارهای خود از تلسکوپ بازتابی استفاده می‌کنند. در یک تلسکوپ بسیار بزرگ ، آنها می‌توانند درون محفظه کوچکی که در بالای لوله تلسکوپ جای دارد. کار کننده با جایگزین کردن یک آینه خمیده دیگر به جای این محفظه ، می‌توان نور را به طرف پایین منحرف کرد و از درون سوراخی که در وسط آینه اصلی قرار دارد، به مشاهده پرداخت. از این به بعد دستگاههای مخصوصی برای مطالعه نور بکار گرفته می‌شوند. یکی از متداول‌ترین آنها طیف نمایی می‌باشد. این دستگاه ، طول موجهایی نور را تفکیک می‌کند. اخترشناسان به مطالعه شدت نور در طول موجهای مختلف آن ، می توانند دما و ترکیبات ستارگان را بدست آورند.

تلسکوپ رادیویی

آنتنهای غول پیکری به شکل بشقاب هستند که علامتهای رادیویی را در کانون اصلی خود متمرکز می‌کنند. در این کانون ، یک آشکارساز رادیویی قرار دارد. با استفاده از تلسکوپ رادیویی ، اندازه گیری شدت امواج رادیویی حاصل از کهکشانها امکان پذیر است. در تلسکوپ رادیویی ، یک آنتن به شکل بشقاب ، امواج را کانونی می‌کند و به گیرنده می‌فرستد. امواج پس از تحلیل در کامپیوتر ، بر روی کاغذ رسم می‌شوند. اخترشناسان با پیوند چندین تلسکوپ رادیویی به هم ، یک دوربین رادیویی درست می‌کنند و نقشه مناطق نشر کننده موج رادیویی را در آسمان بدست می‌آورند. به کمک تلسکوپ رادیویی نه تنها به هنگام شب ، بلکه در روز نیز می‌توان به اخترشناسی پرداخت.

تلسکوپ اشعه ایکس

در بالای جو ، تلسکوپهای دیگری زمین را دور می‌زنند، که مخصوص پرتوهای X و فرابنفش هستند. آنها برای تشریح منظره آسمان در پرتوهای X و فرابنفش ، یافته‌های خود را به صورت پیامهای رادیویی به زمین می‌فرستند.

بازتاب کلی

مقدمه

فرض کنید موجی در داخل محیط a با ضریب شکست n_a تحت زاویه Ф_a بر سطح مشترک این دو محیط با محیط دوم بتابد. این موج وارد محیط دوم (b) با ضریب شکست n_b می‌شود. اگر زاویه شکست یعنی زاویه بین پرتو شکست و خط عمود بر سطح جد اکننده دو محیط را با b_Ф نشان دهیم، براساس قوانین اسنل بین این چهار کمیت رابطه زیر برقرار است.

n_aSinФ_a=n_bsinФ_b

درنتیجه خواهیم داشت.

sinФ_b=n_a/n_bsinФ_a

اگر چنانچه نسبت n_a/n_b بزرگتر از یک باشد، چون تابع sin همواره بین 1- و 1+ قرار دارد، لذا می‌توان نتیجه گرفت که sinФ_b از sinФ_a بزرگتر است. بنابراین برای Ф_a مقداری کمتر از 90درجه وجود دارد که به ازای آن sinФ_b=1 و Ф_b=90 ردجه است. زاویه فرودی را که به ازای آن پرتو شکست در امتداد مماس بر سطح خارج می‌شود، زاویه بحرانی می‌گویند.

اگر زاویه فرودی از اندازه زاویه بحرانی بزرگتر باشد، سینوس زاویه شکست که از طریق قوانین اسنل محاسبه می‌شود، بزرگتر از یک خواهد بود و چون مقادیر ماکزیمم و مینیمم توابع سینوسی برابر 1 و 1- است، لذا این امر غیر ممکن است و باید کل پرتو فرودی به درون محیط اول بازگردد. این حالت را بازتابش کلی می‌گویند بنابراین بازتابش کلی زمانی اتفاق می‌افتد که پرتو فرودی به سطحی برسد که ضریب شکست ماده در طرف دیگر کمتر از محیطی باشد که پرتو در آن انتشار یافته است.

نمونه‌ای از بازتابش کلی در مورد امواج در طول ریسمان

دو رشته ریسمان یا طناب با ضخامتهای کاملا متفاوت ، یکی نازک و دیگری کلفت ، را در نظر بگیرید که بگونه‌ای به هم متصل شده‌اند. بطوری که به صورت یک رشته طناب درآمده‌اند که نیمی از آن دارای ضخامت نازک و نیمی دیگر کلفت است. حال این رشته طناب را بین دو نقطه محکم می‌کنیم یعنی دو سر طناب را به محلی وصل کنیم که طناب به حالت کشیده درآید. حال در قسمت نازک اگر با انگشت دست خود تپی را ایجاد کنیم، ملاحظه می‌شود که تپ در طول ریسمان نازک منتشر می‌شود.

ای تپ به محض رسیدن به قسمت کلفت مقداری از آن در طول قسمت کلفت به همان صورت اول حرکت می‌کند، ولی قسمت دیگر به طناب نازک بر می‌گردد. ولی جهت آن کاملا معکوس شده است. این حالت نمونه‌ای از باز تابش و شکست امواج است. حال اگر کلفتی طناب دوم را تغییر دهیم یعنی هر بار آزمایش را با طنابهای کلفت تر تکرار کنیم، ملاحظه می‌کنیم که مقدار ارتعاش منتقل شده به طناب کلفت کاهش پیدا می‌کند. یعنی اگر به جای طناب کلفت طناب نازک را به دیوار ثابت کنیم، در این صورت تقریبا کل ارتعاش بازتابش پیدا می‌کند.

مقایسه منشور شیشه‌ای و آینه فنری

از جمله اسباب نوری که در آنها از بازتابش کلی استفاذه می‌شود، منشور شیشه‌ای بازتابان و آینه فنری است. مزیت منشور بازتابان کلی بر آینه فنری در این است که سطح این منشور صد در صد نور را باز می‌تاباند، در حالی که آینه چنین کاری را انجام نمی‌دهد. دیگر این که این سطح خاصیت بازتابی را همواره حفظ می‌کند، در حالی که آینه پس از مدتی مات می‌شود.

تار نوری

از خاصیت بازتابش کلی در ساختن تارهای نوری استفاده می‌شود. تار نوری لوله‌‌ای شیشه‌ای است که باریکه‌ای از نور از یک سر میله وارد آن می‌شود و نور از آن بازتابش کلی یافته و لذا درون آن به دام می‌افتد. حتی اگر میله انحنای کمی داشته باشد، باز این کار امکانپذیر است. این نوع لوله را لوله نوری می‌گویند. بسته‌ای از تارهای شیشه‌ای نیز دارای این خاصیت هستند با این تفاوت که وقتی تارها نازک باشند، انعطاف نیز دارند. هر بسته ممکن است شامل هزاران تار نوری باشد که قطر هر کدام 0.002mm تا 0.01mm است. اگر تارها در یک بسته بصورتی قرار گرفته باشند که وضع نسبی آنها در دو انتها تغییر نکند (یا قرینه یکدیگر باشند) بسته می‌تواند تصویر جسمی را از یک طرف به طرف دیگر منتقل کند.

امروزه از تارهای نوری در پزشکی ، ارتباطات و سایر جاها کاربرد دارند. در آندوسکوپی ، آندوسکوپ را به درون نای ، مری ، معده ، روده ، مثانه و مجراهای دیگر می‌فرستند و درون اعضا را مستقیما می‌بینند. بسته‌ای از تارهای نوری را به هم می‌بندند و با فرو بردن آن به زیر پوست ، بافتها و رگها را مورد مطالعه قرار می‌دهند. در مورد ارتباطات نیز از پرتو لیزر استفاده می‌شود. چون فرکانس موج حامل به مراتب بیشتر از فرکانسهای رایویی است، لذا تعداد بیشماری پیام را می‌توان به کمک موج حامل انتقال داد.

آشنایی با طيف‌سنجي جرمي(MS)

طيف‌سنجي جرمي دستگاهي است که مولکول‌هاي گازي باردار را بر اساس جرم آنها دسته‌بندي مي‌کند. دستگاه طيف‌سنج جرمي، مولکول‌ها و يون‌هاي گازي باردار را بر حسب جرم آنها در ميدان آهنربايي از يکديگر جدا و اندازه‌گيري مي‌کند. طيف جرمي حاصل جهت تعيين وزن مولکولي دقيق،‌ شناسايي اجسام و تعيين درصد ايزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد. مهمترين مزيت اين طيف سنجي نسبت به ساير روش‌ها از قبيل TEM، XRD، UV-Vis، IR، اسپکتروسکپي رامان و TGA اين است كه براي تعيين ترکيبات به طور مستقيم از روش‌هاي فوق نمي‌توان استفاده کرد. اما از روش MS مي‌توان استفاده نمود.

طيف‌سنجي جرمي دستگاهي است که مولکول‌هاي گازي باردار را بر اساس جرم آنها دسته‌بندي مي‌کند. اين روش ارتباط واقعي با طيف‌سنجي نوري ندارد ولي نام‌ طيف‌سنجي جرمي براي اين روش‌ها انتخاب شده است، زيرا دستگاه‌هاي اوليه توليد عکس مي‌کردند که شبيه به طيف خطي بود.
فرآيند دستگاه

در داخل دستگاه خلائي به ميزان mmHg 10-5- 10-6  برقرار است. مقدار کمي از نمونه (حدود 1µ) توسط يک لوله از دريچة کوچکي وارد منبع يونش مي‌شود. نمونه در اثر گرما و خلاء موجود به صورت گاز درآمده و با جرياني از الکترون‌هاي پرانرژي (حدود 70-ev50) به طرف آند مقابل شتاب گرفته و جذب آن مي‌شود. در نتيجه بمباران الکتروني، جزئي از مولکول‌هاي نمونه (حدود 0/1 درصد) يونيزه مي‌شود. در اولين مرحله مطابق واکنش زير يک الکترون از M خارج شده و يک کاتيون يک ظرفيتي مي‌دهد که وزن آن برابر وزن مولکول جسم است.
-e-→M++2e   
در اثر افزايش انرژي الکترون‌هايي که به نمونه برخورد مي‌کنند، يون +M به کاتيون‌هاي يک ظرفيتي کوچک‌تري شکسته مي‌شود. يون‌هاي مثبت حاصل از طريق شتاب‌دهنده و نيروي دافعه قطب مثبت آن و همچنين به دليل تفاوت در فشار موجود بين محل ورود نمونه و فضاي سمت راست دستگاه به سمت روزنه کوچکي هدايت شده و پس از گذشتن از آن جريان يون‌ها از بين دو قطب يک آهنرباي قوي که جهت ميدان آن عمود بر مسير يون‌ها است عبور مي‌کند، کاتيون‌هاي موجود به نسبت جرم بر بار (m/e) منحرف شده و از يکديگر جدا مي‌شوند.
ذرات جدا شده پس از برخورد با يک صفحة عکاسي به صورت خطوطي ظاهر مي‌شوند.
دستگاه طيف‌سنج جرمي، مولکول‌ها و يون‌هاي گازي باردار را بر حسب جرم آنها در ميدان آهنربايي از يکديگر جدا و اندازه‌گيري مي‌کند. طيف جرمي حاصل جهت تعيين وزن مولکولي دقيق،‌ شناسايي اجسام و تعيين درصد ايزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد. شکل (1) قسمت‌هايي از يک طيف‌سنج جرمي را نشان مي‌دهد

روش GC- MS

روش ديگر براي وارد ساختن نمونه به دستگاه طيف‌سنج جرمي، استفاده از کروماتوگراف گازي است. کروماتوگراف گازي در بخش مربوطه توضیح داده شده است. در دستگاه GC-MS اجزاي يک مخلوط به ترتيب توسط يک ستون کروماتوگرافي از هم جدا مي‌شوند و پس از حذف گاز حاصل، وارد منبع يونش طيف سنج جرمي مي‌گردند.

کاربردها

اطلاعاتی که می توان از طیف سنج جرمی بدست آورد شامل موارد ذیل است:
شناسائی ترکیبات خالص آلی، تعیین وزن مولکولی و فرمول تجربی ترکیب، حضور یا عدم حضور گروههای عاملی در ترکیبات آلی، پایداری انواع مختلف یونها. برای مطالعه بیشتر می توان به مراجع [2 و3] مراجعه نمود.
همچنین براي آناليز ترکيب و پايداري در فاز محلول می توان از MS استفاده کرد. به عنوان مثال براي تعيين ساختار ترکيبات شاخه‌اي نانومقياس با ابعاد 1/5nm  مي‌توان از روش طيف‌سنج جرمي با تکنيک يونش الکترواسپري (ESI) استفاده کرد [4].
همچنين از روش طیف سنجی به طور وسيعي در تجزيه ترکيبات آلي، بيولوژيک،‌ پليمري حاوی نانو ذرات طلا، فلورين‌ها و ترکيبات شاخه‌ائي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و مي‌توان ساختار ترکيبات بيولوژيک در محلول را بررسي كرد [9-5] .
در مراجع [16-10]به بررسي ترکيب، ابعاد،‌ سطح و پايداري نانوذراتي که اغلب از ترکيبات آلي فلزي بدست مي‌آيد، پرداخته مي‌شود. همچنين برتري اين روش اسپکتروسکپي نسبت به ساير روش‌ها، سریع بودن پاسخ‌دهي مي‌باشد [17].
مهمترين مزیت اين طیف سنجی بنسبت به ساير روش‌ها از قبيل TEM، XRD، UV-Vis، IR، اسپکتروسکپي رامان و TGA اين است كه براي تعيين ترکيبات به طور مستقيم از روش‌هاي فوق نمي‌توان استفاده کرد. اما از روش MS مي‌توان استفاده نمود [18].
مراجع: 
[1]. D. A. Skoog, D. M. West Holt, "Principle of Instrumental Analysis", Saunders College Publishing, Sixth edition, 1994.
[2].E. Stenhagen, S. Abrahamsson ,F. W. Mclafferty, "Registry of Mass Spectral Data", Wiley New York, Vol. 4, 1974.
[3]. Aldermaston, Eight Peak Index of Mass Spectra, 2 ed, Mass Spectroscopy Data Center, Reading, United Kingdom, 1974.
[4]. J. J. Gaumet,† G. A. Khitrov, and G. F. Strouse, Mass Spectrometry Analysis of the 1.5 nm Sphalerite-CdS Core of [Cd2S14(SC6H5)36âDMF4], NANO LETTERS, 2, 375-379 , 2002
[5]. H. Inoue, H.; Ichiroku, N.; Torimoto, T.; Sakata, T.; Mori, H.; Yoneyama, H. Langmuir, 10, 4517, 1994
[6]. Gaumet, J. J.; Strouse, G. F. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2000, 11, 338.
[7]. Trager, J. C. Int. J. Mass Spectrom., 200, 387, 2000
[8]. Plattner, D. A. Int. J. Mass Spectrom., 207, 125, 2001
[9]. Pryzybylski, M.; Glocker, M. O. Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 35, 806, 1996
[10]. H. Inoue, N. Ichiroku, T. Torimoto, T. Sakata, H. Mori, H. Ž . Yoneyama, Langmuir, 10, 4517, 1994
[11]. M.A. Hines, P. Guyot-Sionnest, J. Phys. Chem. B, 102, 3655, 1998
[12]. J.R. Sachleben, V.L. Colvin, L. Emsley, E.W. Wooten, A.P. Ž . Alivisatos, J. Phys. Chem. B 10210117, 1998
[13]. M. Tomaselli, J.L. Yarger, M. Bruchez, R.H. Halvin, D. DeGraw, Ž . A. Pines, A.P. Alivisatos, J. Chem. Phys. 110 8861,1999
[14]. J.R. Sachleben, E.W. Wooten, L. Emsley, A. Pines, V.L. Colvin, Ž . A.P. Alivisatos, Chem. Phys. Lett. 198 431,1992
[15]. X. Peng, J. Wickham, A.P. Alivisatos, J. Am. Chem. Soc. 120 5343, 1998
[16]. R.J. Arnold, J.P. Reilly, J. Am. Chem. Soc. 1201528, 1998
[17]. N. Herron, J.C. Calabrese, W.E. Farneth, Y. Wang, Science 259, 1426, 1993
[18]. Jean-Jacques Gaumet and Geoffrey F. Strouse , Electrospray Mass Spectrometry of Semiconductor Nanoclusters: Comparative Analysis of Positive and Negative Ion Mode, J Am Soc Mass Spectrom, 11, 338–344, 2000 

ضميمه1 – ليست مدل هاي مختلف MS

طيف‌سنجي جرمي(Mass spectroscopy (MS
رديف	مدل	شرکت	كشور
1	CH7A	Varin	line-height:90%">Germany
2	MS-QP5050	Shimudzu	line-height:90%">Japan
3	-MS Sa73MSD	Hewlett Packard	Unite State
4	line-height:90%">platform	Micromass	line-height:90%">England
5	CP-3800GC pump	Varian	H olland

انواع آشكارساز آناليز براي ميكروسكوپ الكتروني

آشکارسازهاي آناليز که در ميکروسکوپ‌هاي الکتروني استفاده مي‌گردد، انواع مختلفي دارند. در اين مقاله سعي شده است به صورت اجمالي مزاياي نسبي آشکارسازهاي موجود، مورد بررسي قرار گيرد. اين آشکارسازها عبارتند از: EDAX) EDS،(WDX) WDS ،AES (اوژه) و EELS که به شرح زير بررسي مي‌شوند:

- آناليز سريع و راحت (در هر بار آزمايش) (بدليل بزرگي زواية فضايي آشكاساز و جمع‌آوري همة پرتوهاي X با انرژي مختلف دريك زمان)
- آناليز كيفي (خطوط نزديكتر از ev 200-100 قابل آشكارسازي نيستند) (علاوه بر درهم رفتن دو پيك مجاور نسبت ارتفاع پيك‌ها به زمينه خيلي خوب نيست)
- ارتفاع پيك به زمينه نامناسب (براي استفاده در اندازه‌گيري‌هاي كمي) (به دليل پارازيت‌هاي الكتروني موجود در آشكارساز)
- محدوديت عنصري (Na به بالا يا B به بالا) (به دليل جذب فوتون‌هاي كم انرژي توسط پنجره‌ها)
- مشكلات سرد بود دائم آشكارساز (شارژ دائمي نيتروژن مايع)
- در برخي نمونه‌ها (تقريباً مشخصند) پيك‌هاي نويزگونه (نويز مجموع دو فوتون و نويز گريزKeV 74/1 E-) وجود دارد كه تشخيص اين پيك‌هاي نويزي نيازمند تجربة تحليلگر يا قدرت نرم‌افزار تحليل كننده دارد.
- امكان تهية همزمان نقشه‌هاي چندگانه (در WDS يگانه) از چند عنصر در يك ناحيه (بر خلاف WDS)
- تنها آشكارسازي كه بر روي TEM و STEM قابل نصب است (البته به شرطي كه اين مسالة در هنگام طراحي TEM و لنزها در نظر گرفته شده باشد) (به دليل تعداد بسيار كم فوتون‌هاي X و راندمان بسيار بالاتر آشكارسازي نسبت به WDS) (از مزاياي نصب EDS بر روي TEM به جاي SEM بالا رفتن تفكيك‌پذيري نقشة به دست آمده از فوتون‌هاي X (تا 10 نانومتر هم مي‌تواند باشد در حالي كه در SEM بهتر از 1 نمي‌تواند باشد)

 

- سرعت نسبتاً كند ( به دليل كوچكي زاوية فضايي آشكارسازي و جمع‌آوري فقط يك طول موج در آن واحد و در نتيجه لزوم جمع‌آوري ديتا در تمام زواياي ممكن)
- آناليز كمي با دقت بالا:
• تيز بودن پيك‌ها (تشخيص عناصر با انرژي فوتون X نزديك به هم و نادر بودن همپوشاني پيك‌هاي مجاور)
• زياد بودن نسبت ارتفاع پيك‌ به زمينه (اندازه‌گيري كمي غلظت عناصر با دقت خوب 10 برابر EDS)
- لزوم مهندسي دقيق در طراحي دستگاه به دلايل:
• حساسيت بالاي قدرت سيگنال فوتو‌نهاي X به جابجايي و خروج ميكرومتري نمونه از دايرة رولاند (در نتيجه براي به دست آوردن نقشة شيميايي نواحي بزرگتر از 5 × 5 بايد نمونه جابه‌جا شود نه باريكة الكتروني)
• لزوم دقت تنظيم زواياي و 2 با دقت بهتر از 1 دقيقه براي تشخيص خطوط نزديك به هم
- عدم محدوديت آشكارسازي عنصري (به شرط امكان استفاده از چند كريستال، با ثابت شبكه مختلف، در هنگام آناليز طيفي)‌ (به دليل محدوديت‌هاي عملي در طراحي مكانيكي دستگاه در چرخش‌هاي زياد)
- سرعت معقول آشكارسازي هنگامي كه نوع عنصر را از قبل بدانيم (براي آناليز كمي و نقشه عنصر مربوطه) (چرا كه زاوية در مقدار خاصي ثابت نگه داشته مي‌شود و از طرفي سرعت آشكارسازي تعداد فوتون‌ها توسط آشكارسازگازي WDS زياد است)
- تفكيك‌پذيري غلظتي بهتر از EDS است (%05/0 در برابر % 1/0)

توجه
1- دستگاه مخصوصي در بازار وجود دارد (EPMA) كه براي آناليز حرفه‌اي نمونه‌هاي متعدد طراحي شده است.
2- آناليزگرهاي پرتو X هر دو (EDS و WDS) اين مشكل را دارند كه براي نمونه‌هاي ناهموار خيلي مناسب نيستند چرا كه بلندي‌ها بعضاً جلوي رسيدن فوتون‌هاي X جاهاي گود را مي‌گيرند.
3-در برخي ازموارد هر دو آشکارساز بطور همزمان بر روي دستگاه نصب ميشود .

- نياز به خلأ بالا (torr 8-10 )، آسيب‌ديدگي نمونه‌هاي حساس (برخي تركيبات آلي و بيولوژيك)
- مي‌تواند به عنوان آشكارسازي روي SEM نصب شود و نقشة شيميايي سطح را با دقت عرضي 100 نامتر (15 نانو متر در FEAES) و دقت عمقي 3 نانومتر به دست دهد.
- زمان آناليز كامل طيفي هر پيكسل حدود 5 دقيقه
- قابليت تشخيص همة عناصر و تركيبات شيميايي آنها (به جز هليم و هيدروژن) با دقت غلظتي ~ % 30 تا % 10 (و به روايت Evans %1 تا % 1/0 )

- در TEM نصب مي‌شود چرا كه الكترون‌هاي عبوري مورد بررسي قرار مي‌گيرند و ضخامت نمونه بايد كمتر از 100 نانومتر باشد.
- براي عناصر سبك مناسبتر است.
- سرعت نسبتاً كمي دارد ولي استفاده از آشكارسازهاي آرايه‌اي (چيزي شبيه CCDها) اين مساله را كمرنگ مي‌كند.
- براي آناليز كمي نياز به زمان بالاي جمع‌آوري اطلاعات دارد (براي كافي شدن آمار الكتروني)
- در صورت كافي بودن آمار آشكارسازي الکترون ها ضخامت نمونه و تركيب شيميايي عناصر (علاوه بر نوع عنصر و غلظت آن) هم قابل تعيين است.

دنیای کوچولوها ... دنیای نانو

10 متر است. یعنی خیلی کوچک ... در حد ابعاد درون اتمی...
ایده اصلی نانوتکنولوژی متعلق به ریچارد فاینمن فیزیکدان معروف آمریکایی معاصر است. وقتی که وی برای اولین بار گفت که می‌توان تمام اطلاعات موجود در تمام کتابهای یک کتابخانه بزرگ را سر یک سوزن جای داد؛ بعضی‌ها خیلی حرف فاینمن را جدی نگرفتند. اما رفته رفته مردم منظور آن را فهمیدند! به طوریکه نانوتکنولوژی امروز حتی یکی از بزرگترین دغدغه های دولتهای جهان نیز هست.
حالا می‌خواهیم حساب کنیم که اطلاعات کل کتابهای یک کتابخانه چقدر جا می‌گیرد.
بعضی از شما با سیستمهای ذخیره اطلاعات دودویی یا باینری آشنا هستید. در این سیستم تنها با صفر و یک کار داریم و هر چیزی را طبق قراردادی به مجموعه ای از این صفر و یک‌ها تبدیل می‌کنیم. مثلاً قرار می‌گذاریم به جای حرف A عبارت 0100 را قرار دهیم یا مثلاً به جای حرف B عبارت 1001 و الی آخر ... هر خانه فقط می‌تواند صفر یا یک باشد. اگر یک رشته 4 خانه ای داشته باشیم به اندازه 2*2*2*2 حالت داریم پس می‌توان 2*2*2*2 حرف یعنی 16 حرف را کد کرد.
تقریباً تعداد حروف انگلیسی 28 تا و با تعدادی علامت و کاراکترهای دیگر می‌توانیم با 8 خانه یعنی 32 حالت تمامی حروف استفاده شده در نوشته‌ها را کد کنیم. پس به جای هر یک حرف احتیاج به فضایی برای ذخیره 8 خانه که از صفر و یک تشکیل شده باشد، نیاز داریم.
اما نکته بسیار مهم همین است که ما چه چیزهایی نیاز داریم که تنها ویژگی آنها این باشد که 2 حالت داشته باشند نه به یک چیز پیچیده تر؛ که دستمان را خیلی باز می‌گذارد.
مثلا یک چراغ، روشن باشد یا خاموش ... یک دست ... یک دست چپ باشد یا راست... از هر چیزی برای ذخیره سازی می‌توان استفاده کرد. کوچکترین چیزی که می‌شناسید چیست؟ درست است اتم! کافی است اتم هایی داشته باشیم که دو حالت داشته باشند ... بعضی از شما می‌دانید که بعضی از اتمها ویژگی خاصی دارند به اسم " اسپین " که می‌تواند 2 حالت یا چند حالت داشته باشد اما دم دست ترین اتمها اتفاقاً اسپین 2 حالته دارند. اسپین بالا (up) و اسپین پایین (down) که به ترتیب با جهتهای مخصوصشان نشان داده می‌شوند. پس ما برای کد کردن یک حرف از الفبا به 8 تا اتم و تنها 8 اتم احتیاج داریم. حالا خیلی سریع حساب می‌کنیم:
تعداد کتابهای یک کتابخانه بزرگ تقریباً 100 هزار تاست. هر کتاب تقریباً 500 صفحه دارد هر صفحه تقریباً 20 سطر و هر سطر تقریباً 20 تا 30 کلمه و هر کلمه 4 تا پنج حرف دارد ... یک حساب سرانگشتی به ما می‌گوید تعداد کل حروف یک کتابخانه بزرگ برابر است با:

10¹⁰*15=5*30*20*500*100000

یعنی ما برای کد کردن این اطلاعات در سیستم دودویی یا صفر و یکی به 10¹⁰*15 اتم احتیاج داریم. یعنی ده هزار میلیون ضرب در پانزده! شاید به نظر خیلی زیاد باشد اما واقعاً این تعداد کم است. می‌دانید حجم این همه اتم چقدر است؟ راحت می‌شود حساب کرد.
عدد آدو گادرو چقدر بود؟ یادتان هست؟ تقریبا 10²³ تا یعنی هر مول از یک اتم تقریباً 10²³ تا اتم دارد اما هر مول می‌دانیم به اندازه جرم اتمی آن ماده جرم دارد یعنی مثلاً برای کربن هر 10²³ تا اتم کربن حدود 6 گرم جرم دارد. ( جرم اتمی کربن برابر 6 هست. ) حجم 6 گرم ماده هم که راحت می‌شود حساب کرد. مثلاً اگر ماده آب باشد، هر 6 گرمش تقریباً 6 سانتی متر مربع حجم دارد برای بقیه مواد هم تقریباً همینطور است ... یادتان باشد این یک حساب سرانگشتی و تقریبی هست. خوب پس هر 10²³ تا اتم تقریباً 6،7 سانتی متر مکعب حجم اشغال می‌کنند. حالا شما بگو اصلاً 10 سانتی متر مکعب. خوب ما چند تا اتم می‌خواستیم؟ 10¹⁰*15 تا اتم ... یعنی اتمهایی که حجمشان می‌شود:

(15*10¹⁰/10²³)*10cm³=10^-11cm3

یا حدود ^8-10 میلی متر مکعب. یعنی فضایی با ابعاد تقریبی ^3-10*^3-10*^2-10 میلی متر یعنی مثلاً یک مکعب که دو ضلع آن یک هزارم میلی متر و ضلع سوم یک صدم میلی متر باشد!
خیلی حجم کمی است. نه! اما شک نکنید. یک کتابخانه بزرگ تنها هیمن قدر اطلاعات در بر دارد. یک مکعب کوچولوی کوچولو...

کاهش گازهای گلخانه ای با استفاده از فناوری نانو

كاهش گازهاي گلخانه‌اي با استفاده از فناوري نانو

نتايج يك مطالعه كه در انگلستان انجام شده است، نشان مي‌دهد كه فناوري‌نانو مي‌تواند استفاده از منابع انرژي تجديدناپذير و انتشار گازهاي گلخانه‌اي را كاهش دهد.

به گزارش پايگاه اينترنتي فناوري نانو، اين مطالعه توسط سازمان "دفرا" (‪ (Defra‬كه سازماني در زمينه امور كشاورزي، غذا و محيط زيست انجام شده است.

در اين مطالعه كاربردهاي فناوري‌نانو در زمينه‌هايي از قبيل افزودني‌هاي سوخت، پيل‌هاي خورشيدي (فوتوولتائيك)، اقتصاد هيدروژني و ذخيره الكتريسيته مورد بررسي قرار گرفته است.

اين بررسي‌ها نشان مي‌دهد كه فناوري‌نانو مي‌تواند انتشار گازهاي گلخانه‌اي را تا بيش از ‪ %۲‬در حال حاضر و بيش ‪ %۲۰‬تا سال ‪ ۲۰۵۰‬كاهش دهد.

همچنين افزودني‌هاي نانو ذره‌اي نشان داده‌اند كه مي‌توانند راندمان سوخت موتورهاي ديزلي را تا تقريبا ‪ %۵‬افزايش دهند، در نتيجه انتشار ‪ CO2‬در انگلستان ‪ ۲‬تا ‪ ۳‬ميليون تن در سال كاهش مي‌يابد. اين موضوع مي‌تواند فورا در نيروگاه‌هاي ديزلي انگلستان اجرا شود.

هر چند ابتدا بايد نگراني‌ها مرتبط با سلامتي ناشي از تماس با نانوذرات آزاد در گازهاي خروجي ديزلي، رفع شود.

براي اين منظور توصيه‌هايي شده است كه عبارتند از آزمايش‌هاي سميت شناسي جامع و آزمايش‌هاي عملكرد مستقل كمك‌كننده براي نشان داده سود محيطي آن.

از سوي ديگر قيمت بالاي پيل‌هاي خورشيدي مانع استفاده از آنها براي توليد انرژي از منابع تجديدپذير مي‌شود.

اما فناوري‌نانو مي‌تواند باعث كاهش قابل توجه هزينه توليد پيل‌هاي خورشيدي شود.

اگر يك شبكه توليد برق از انرژي خورشيدي، بتواند ‪ %۱‬كل نيازهاي برق را توليد كند، انتشار گاز گلخانه‌اي ‪ CO2‬مثلا در انگلستان سالانه تقريبا ‪۱/۵‬ تن كاهش مي‌يابد.

وسايل نقليه مبتني بر سوخت هيدروژني مي‌توانند انتشار همه آلاينده‌هاي مضر را از وسايل نقليه حذف كنند.

يكي از مشكلات اصلي اقتصاد مبتني بر هيدروژن، ذخيره هيدروژن است كه فناوري‌نانو مي‌تواند كمك زيادي براي رفع اين مشكل بكند، نانوساختارهايي از قبيل نانولوله‌هاي كربني، فولرين‌ها و غيره، توان بالقوه‌اي در ذخيره‌سازي هيدروژن دارند.

همچنين فناوري‌نانو در پيل سوختي كه در آن انرژي ناشي از سوخت هيدروژن به برق تبديل مي‌شود كاربرد دارد، مثلا نانوكاتاليست‌ها مي‌توانند عملكرد آنها را بهبود دهند.

اگر هيدروژن به عنوان منبع انرژي استفاده شود، انتشار گاز گلخانه‌اي ‪ CO2‬كه در انگلستان سالانه ‪ ۱۳۲‬ميليون تن است، به طور كامل حذف مي‌شود.

ذخيره اطلاعات دو ميليون كتاب در فضايي كمتر از يك تمبر پستي

با اتمام طرح ذخيره اطلاعات روي نانوذرات محقق مي‌شود:

Nanospin عنوان پروژه‌اي است كه با هدف استفاده از نانوذرات براي ذخيره اطلاعات، به صورت مشترك ميان شركايي بين‌المللي از كشورهاي اروپايي اجرا خواهد شد....اين شركاء دانشگاه Leicester انگلستان، مركز ملي تحقيقات علمي يونان،‌ دانشگاه Sumy اوكراين، انجمن ملي ايتاليا (CNR-ISM)، دانشگاه بارسلوناي اسپانيا و NT-MDZ در روسيه مي‌باشند.

در اين پروژه كمپلكس‌هاي نانوذره‌يي فلزي توليد مي‌شوند.

اين نانوذرات داراي هسته فلزي و يك يا چند لايه از فلزات فرومغناطيس يا آنتي‌فرومغناطيس، جهت كنترل خواص مغناطيسي فلز مي‌باشند. اين كمپلكس به نام نانوآنيون معروف است و كاربردهاي وسيعي در پزشكي، حافظه‌هاي مغناطيسي و ادوات كوانتومي دارد.

اين خوشه‌هاي چندلايه با تراكم فلز در قطرات هليوم مايع به دست مي‌آيند. اين قطرات با انبساط مايع هليوم درون خلاء حاصل مي‌شوند و با عبور از درون يك محفظه مطابق شكل، بخارات فلزي معلق درون محفظه را جذب و تشكيل خوشه مي‌دهند. ذرات درون مايع به هم ديگر رسيده،‌ سرد شده و منعقد مي‌شوند، كه اين فرآيند كمتر از چندميكروثانيه به طول مي‌انجامد.

زمان عبور هر قطره از هر سل چند ميلي‌ثانيه است و با توجه به اين كه زمان انعقاد چند ميكروثانيه است، قبل از خروج قطره از هر سل و ورود به سل بعدي يك لايه از جنس همان فلز موجود در سل اول روي قطره منعقد مي‌شود. با اين روش مي‌توان چند لايه مختلف را جداگانه روي هم قرار داد و واحدهاي سازنده منفرد را به دلخواه عامل‌دار كرد.

به دليل امكان كنترل فوق‌العاده در هنگام توليد اين واحد‌ها و امكان كنترل فرآيند عامل‌دار كردن و افزودن لايه‌هاي بعدي به صورت فرومغناطيس و يا آنتي‌فرومغناطيس، مي‌توان نانوخوشه‌هايي با اسپين داخلي طراحي كرد.

در نهايت با افزودن يك لايه غيرمغناطيسي مي‌توان نانوخوشه‌هاي عامل‌دار را روي اين ذرات قرار داد.

توانايي كنترل اين فرآيندها تحولي شگرف را در حوزه‌هاي اسپينترونيك و حافظه‌هاي مغناطيسي مانند حافظه‌هاي مغناطيسي با ظرفيت بالا يا كامپيوترهاي كوانتومي ايجاد خواهد كرد؛ به عنوان مثال با ‌استفاده از اين نانوذرات مغناطيسي، قابليت ذخيره بيت‌هاي اطلاعاتي را، با تعيين جهت اسپين مغناطيسي آنها را كنترل كرد.

به گزارش ايسنا از ستاد ويژه توسعه فن‌آوري نانو، با فراهم شدن شرايط جهت ذخيره اطلاعات روي نانوذرات، حجم ذخيره سازي اطلاعات 100 برابر بيشتر از ميزان فعلي خواهد شد.

با عملي شدن اين پروژه‌ مي‌توان اطلاعات دو ميليون كتاب يا يك كتابخانه بزرگ را در فضايي كمتر از اندازه يك تمبر ذخيره كرد

بزرگنمایی

دیدکلی

شاید بارها دیده‌ایم که افراد مسن هنگام خواندن قرآن از ذره بین استفاده می‌کنند. به این دلیل ذره بین مور استفاده قرار می‌گیرد که حروف و کلمات قرآنی ریز بوده و افراد مسن بخاطر ضعیف بودن چشم خود از این وسیله که کلمات را بصورت درشت نمایش می‌دهد، استفاده می‌کنند. یا هنگامی که بوسیله ذره بین به منظره‌ای که در فاصله دور دست قرار دارد نگاه می‌کنیم، ملاحظه می‌شود که به راحتی می‌توانیم آن منظره را ببینیم. به این ترتیب در مورد آینه‌ها ، عدسی و وسایل دیگری از این قبیل کمیتی به نام بزرگنمایی تعریف می‌کنند. بزرگنمایی در واقع مقیاسی از بزرگی تصویر ایجاد شده توسط وسیله مورد استفاده است.

بزرگنمایی آینه کروی

چون بزرگی تصویر در یک آینه کروی ، بسته به محل جسم یا شئی که در برابر آینه قرار دارد، متغیر است. در مسائل مربوط به آینه‌های کروی به جای صحبت از بزرگی تصویر معمولا از بزرگنمایی آینه صحبت می‌شود. بزرگنمایی یک اینه کروی بنا به تعریف به صورت زیر است.

ارتفاع شی/ارتفاع تصویر=بزرگنمایی آینه کروی

بنابراین اگر به صورت نموداری تصویری را که در یک آینه ایجاد می‌شود، نشان دهیم، در این صورت با استفاده از قواعد هندسی (تشابه دو مثلث ایجاد شده در دو طرف آینه) ، اگر فاصله تصور از آینه را با q و فاصله جسم از آینه را با P نشان دهیم، رابطه بزرگنمایی بر حسب این کمیتها بصورت q/p =بزرگنمایی بیان می‌شود. نکته قابل توجه این است که این رابطه هم برای آینه‌های کروی محدب و هم برای آینه‌های کروی مقعر معتبر است. لذا در هنگام استفاده از این رابطه باید علامت جبری در مورد q و p را با توجه به نوع تصویر یا جسم بسته به نوع آینه رعایت کنیم. به بیان دیگر باید به خاطر داشته باشیم که فاصله هر شی با هر تصویر حقیقی از آینه با علامت مثبت و بر عکس فاصله هر شی یا تصویر مجازی از آینه با علامت منفی منظور می‌شود.

بزرگنمایی آینه تخت

در مورد آینه تخت چون فاصله تصویر از آینه با فاصله جسم از آن همواره برابر است، بنابراین بزرگنمایی برابر یک خواهد بود. به عبارت دیگر هر شی یا جسم درست به همان اندازه خودش در آینه تخت نمایش داده می‌شود.

بزرگنمایی در عدسیها

بزرگنمایی خطی

بزرگنمایی خطی در عدسیها ، مانند آینه‌های کروی ، عبارت است از نسبت ارتفاع تصویر به ارتفاع شی. به عبارت دیگر در مورد عدسیها نیز اگر فاصله تصویر از عدسی را با q و فاصله شی از عدسی را با p نشان دهیم، در این صورت رابطه بزرگنمایی به صورت q/p=بزرگنمایی خواهد بود. در این مورد نیز علامت کمیت های q و p باید متناسب با نوع عدسی و نوع تصویر و شی تعیین شود. در این مورد باید توجه داشته باشیم که تمام فاصله‌ها از مرکز اپتیکی عدسی سنجیده می‌شوند. بنابراین فاصله هر شی یا تصویر حقیقی از عدسی با علامت مثبت و فاصله هر شی یا تصور مجازی از عدسی با علامت منفی منظور می‌شود. همچنین فاصله کانونی عدسی همگرا مثبت و فاصله کانونی عدسی واگرا منفی است.

بزرگنمایی زاویه‌ای

همراه بزرگنمایی خطی ، یک بزرگنمایی زاویه‌ای نیز در مورد عدسیها (یا آینه کروی) در نظر می‌گیریم. اگر چنانچه نحوه تشکیل تصویر در عدسی (یا آینه کروی) را به صورت هندسی نمایش دهیم، بزرگنمایی زاویه‌ای بصورت δ=tanα/tanα نوشته می‌شود. زاویه های α وα از تقاطع پرتوهای خارج شده از عدسی و پرتو تابیده بر آن با محور اصلی تشکیل می‌شود. اگر بزرگنمای خطی و زاویه‌ای را از نظر نموداری با هم مقایسه کنیم، ملاحظه می‌شود که بزرگنمایی زاویه‌ای عکس بزرگنمایی خطی است. بنابراین هر چه بزرگنمایی خطی بزرگتر باشد، یعنی اندازه تصویر بزرگتر باشد، بزرگنمایی زاویه ای کوچکتر است. یعنی باریکه پرتوهای نوری که تصویر را تشکیل می‌دهند، کوچکترند. این وضعیت در تعیین روشنایی تصویر نقش مهمی ایفا می‌کند. لازم به ذکر است که بزرگنمایی زاویه‌ای نه تنها در مورد عدسیها بلکه در مورد آینه‌های کروی نیز به همان صورت با δ تعریف می‌شود.

بررسی تجربی قوانین اسنل

مقدمه

شکست نور عبارت است از انحراف ناگهانی مسیر پرتوهای نور وقتی که بطور مایل از یک محیط شفاف مانند هوا ، وارد محیط شفاف دیگری مانند آب یا شیشه بشوند. این پدیده را بدون استثناء همه ما در زندگی روزمره خود بارها تجربه و مشاهده کرده‌ایم و چون بطور مکرر تکرار شده در نظر ما کاملا طبیعی و عادی جلوه‌گر شده‌اند. برای مثال وقتی لبه استخر پر از آب ایستاده‌ایم، کف استخر بالاتر به نظر رسیده و احتمال دارد ما را گمراه سازد. یا پدیده سراب ، ماهی که در یک تنگ شیشه‌ای نیمه‌پر قرار دارد، میله چوبی که بطور مایل در لیوان پر از آب فرو رفته ، در محل فرورفتن در آب شکسته می‌بینیم.

یا یک قطعه شیشه ضخیم تخت را روی صفحه‌ای از کتاب بگذاریم، نوشته‌ها چطور به نظر می‌رسند، همه‌ اینها نمونه‌ای از پدیده شکست نور هستند. اولین فرمولبندی و بدست آوردن رابطه‌ای که ارتباط بین پارامترهای مختلف و شرایط محیطی حاکم بر آنها را کاملا مشخص و روشن می‌کند، توسط دو دانشمند به نامهای اسنل و دکارت که قوانین مربوطه نیز به نام خودشان معروف می‌باشد، انجام شد. شما هم می‌توانید بر اساس انتشار نور به خط راست با آزمایشهای ساده‌ای قوانین شکست نور را بدست آورید.

تئوری آزمایش

زاویه تابش i زاویه‌ای است که میان پرتو تابش و خط عمود بر سطح در محل تابش درست می‌شود و زاویه شکست r زاویه‌ای است که بین پرتو شکست و خط عمود تشکیل می‌گردد. وقتی نور از هوا یا خلا وارد ماده چگالتری مانند شیشه یا آب می‌شود، طوری می‌شکند که پرتو شکست به خط عمود نزدیکتر می‌شود. برعکس ، هنگامی که نور از ماده‌ای چگالتر از هوا (مانند شیشه یا آب) وارد هوا می‌شود، پرتو شکست از خط عمود دور می‌شود. در نتیجه زاویه شکست از زاویه تابش بزرگتر است.

قوانین شکست نور (قوانین اسنل - دکارت)

1. پرتو تابش و پرتو شکست و خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط در نقطه تابش ، هر سه در یک صفحه‌اند.
   
   
2. برای دو محیط شفاف معین ، نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست مقداری ثابت است. این مقدار ثابت را ضریب شکست محیط دوم (یعنی محیطی که پرتو شکست در آن قرار دارد) نسبت به محیط اول (یعنی محیطی که پرتو تابش در آن واقع است) می‌نامند و آن را با حرف n نمایش می دهند.
   
   

n=Sini/Sinr

علت شکست نور ، به هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر ، در واقع این است که سرعت نور در دو محیط مجاور هم متفاوت است. اگر سرعت نور در هوا V و در محیط شفاف دیگر V باشد، روابط زیر برقرارند:

ضریب شکست هر محیط نسبت به محیط دیگر بستگی به جنس دو محیط دارد.

`Sini/Sinr= n =V/V

مثلا نسبت سرعت نور در هوا به سرعت نور در آب برابر 33/1 است که این عدد درست برابر ضریب شکست آب است. حال اگر نور از محیط شفاف 1 (مثلا آب) به ضریب شکست n₁ وارد محیط شفاف (مثلا شیشه) به ضریب شکست n₂ بشود ضریب شکست محیط 2 نسبت به محیط 1 برابر:

(سرعت نور در محیط 2/سرعت نور در محیط 1)n_2,1 = n₂/n₁ = v₁/v₂

تحقیق تجربی قانون دوم شکست نور

وسایل لازم

1. منبع نور (با یک شکاف نازک)
2. صفحه گرد مدرج و کاملا تخت که بر حسب درجه مدرج شده باشد.
3. نیم استوانه شیشه ای با ضخامت کم.

شرح آزمایش

به کمک این اسباب به آسانی می‌توان قانون دوم شکست را تحقیق کرد. روش آزمایش بدین صورت می‌باشد که قسمتی از پرتو باریک منبع نوری از روی وجه مسطح نیم استوانه که مرکز آن منطبق بر مرکز صفحه مدرج بوده و امتدادها طبق شکل درست در دو طرف ˚90 می‌باشد، بازتابیده شده و قسمت دیگر وارد نیم استوانه می‌شود و در آن شکست می‌یابد. مسیرهای پرتوهای تابش و شکست روی صفحه مدرج دیده می‌شود.

زاویه‌های تابش و شکست به آسانی اندازه گرفته می‌شوند. بدون تغییر دادن راستای پرتو تابش ، صفحه مدرج (و درنتیجه نیم استوانه شفاف) را چرخانده و زاویه تابش را از صفر تا نزدیک ˚90 تغییر داده و برای هر زاویه تابش ، زاویه شکست مربوط به آن را روی صفحه مدرج اندازه گرفت و تحقیق کرد که Sini/Sinr همواره مقدار ثابتی است. حال همین آزمایش را برای موادی دیگر نظیر آب و کوارتز و ... تکرار نمایید.

ضریب شکست پاره‌ای از مواد شفاف
نوع ماده	ضریب شکست
هوا	1.00	آب	1.33
بنزن	1.50	سولفید کربن	1.63
کوارتز	1.46	شیشه کراون	1.52
شیشه فلینت	1.66	پلکس گلاس (پلی اتیلنی)	1.50
الماس	2.42

این بررسیها نشان می‌دهد که قوانین اسنل - دکارت بدون وابستگی محیط همواره پابرجا هستند.

نتایج آزمایش

1. این آزمایش موئید اصل انتشار نور به خط مستقیم است.
   
   
2. قوانین بازتابش و شکست نور ، مستقل از طول موج نور و هندسه سطح تابشی است.
   
   
3. قوانین اسنل - دکارت بدون وابستگی به نوع محیط همواره پابرجا هستند.
   
   
4. در طراحی و ساخت کلیه دستگاههای نوری از جمله عدسی (تنظیم ابیراهیها و ...) ، انواع دوربین عکاسی ، تلسکوپ ، میکروسکپ و ... .

سوالات

در زیر سئوالاتی مطرح شده که آنها با مفهوم شکست نور توجیه می‌شوند؟

1. اگر چوب را تا قسمتی از آن بطور قائم در آب فرو بریم چگونه به نظر خواهد رسید؟
   
   
2. اگر یک پرتو نور بطور عمودی بر سطح یک محیط شفاف بتابد، چگونه وارد این محیط می‌شود؟
   
   
3. اگر n ضریب شکست شیشه نسبت به هوا باشد، ضریب شکست هوا نسبت به شیشه چیست؟
   
   
4. با توجه به این که نور ستارگان از خلا وارد جو زمین می‌شوند، آیا ستارگان بویژه آنها که به سطح افق نزدیکترند در جای حقیقی خود دیده می‌شوند؟
   
   
5. فرض کنید با یک زاویه ثابت به یک پارچ کدر که ته آن برای ما قابل روئیت نیست و ته پارچ یک سکه قرار داده شده ، تماشا می کنیم، چه روشی پیشنهاد می‌کنید تا در شرایط مذکور بدون تغییر وضعیت موجود ، سکه مشاهده شود؟

بزرگنمایی و معادله‌های عدسی

مقدمه

محاسبه مکان یک شیء و تصویر متناظر آن در عدسیها معمولا بدون رجوع به بزرگنمایی تصویر انجام می‌گیرد. هر چند ، در عمل هنگام ایجاد تصاویر حقیقی ، این بزرگنمایی ، یعنی نسبت طول تصویر به طول جسم است که مشخص می‌کند تصویر ایجاد شده از نظر اندازه مناسب است یا خیر. همچنین ، اگر فاصله‌ها در محدوده فاصله کانونی و معادله به عنوان تابعی از بزرگنمایی نوشته شود. تخمینهای سریع یا فاصله کانونی و معادله به عنوان تابعی از بزرگنمایی نوشته شود. تخمینهای سریع یا محاسبات سر انگشتی و ذهنی معمولا سریعتر صورت می‌گیرند.

بزرگنمایی

بزرگنمایی به صورت زیر تعریف می‌شود:

طول شیء / طول تصویر = M

از تشابهات دو مثلث ABD و CBG حاصل از رسم پرتوهای فرودی و عبوری خواهیم داشت:(معادله 1)

M = I/O = q/p

از حالتهای بسیار رایج ، ثبت تصویر روی فیلمی به ابعاد 36×24 میلیمتر است. به عنوان مثال فرض کنید می‌خواهیم تصویر عمارت بلندی به طول 30 متر را روی یک فیلم 30 میلیمتری قرار دهیم. به عبارت دیگر ، بزرگنمایی باید چنین باشد:

M = I/O = 30/30000 mm = 1/1000

معادله گاوسی

رابطه بین شیء تا عدسی و تصویر تا عدسی برای عدسیهای نازک توسط کارل فردریش گاوس (1855-1777) در قرن نوزدهم ارائه گردید. این رابطه چنین است:(معادله 2)

f^-1 = 1/p + 1/q

که f فاصله کانونی عدسی p فاصله شیء تا عدسی p فاصله تصویر تا عدسی است. اما برای تخمین سریع یا محاسبه ذهنی ، شاید در این رابطه مقادیر معکوس زیاد مناسب نباشند. اگرمعادله (2) را در q ضرب کنیم، خواهیم داشت:(معادله 3)

q/f = q/p + q/q

q/r فاصله تصویر اندازه گیری شده برحسب فاصله کانونی q/p بزرگنمایی M و q/r برابر با 1 است. با جاگذاری q بجای q/r و M بجای q/p خواهیم داشت:(معادله 4)

Q = M +1

به عبارت دیگر ، فاصله تصویر (تا عدسی) ، (M+1) برابر فاصله کانونی است. به همین ترتیب می‌توانیم P یعنی فاصله شیء اندازه گیری شده بر حسب فاصله کانونی را چنین نمایش دهیم:

p = 1/M + 1

معادله نیوتن

در سالهای آغازین قرذن هجدهم ، ایزاک نیوتن (1727-1642) رابطه‌ای برای عدسیها نوشت که در آن فاصله شیء و تصویر نه عدسی بلکه دو کانون F و 'F اندازه گیری می‌شوند، همانطور که در شکل نشان داده شده است. نیوتن در کتاب "اپتیک" خود این رابطه را بدون توضیح چنین نوشته بود:

'x/f = f/x

وی در سالهای بعد استدلال کامل برای آن نیز ارائه داد. با مراجعه به شکل پیداست که این کمیتها مربوط به تشابه دو مثلث هستند. مثلثهای قائم الزاویه ADF و BHF باهم متشابهند. همین طور مثلثهای قائم الزاویه 'CGF و 'BEF نیز باهم متشابهند. از طرفی در شکل داریم: AD = BE = 0 و CG=BH=1 که نسبت تناسب آنها نیز توسط نیوتن ارائه شد. کتابهای درسی عصر حاضر ، این معادله را معمولا بصورت زیر می‌نویسند:(معادله 5)

'f² = xx

که می‌توان x و 'x را به ترتیب فاصله شیء تا کانون و تصویر تا کانون متناظر نامید. معادله نیوتن بیش از یک قرن ، پیشتر از معادله گاوس ارائه شده بود. در سالهای اخیر ، برخی کتابهای درسی این معادله را فقط بصورت یک تمرین مطرح می‌سازند و از دانش آموزان می‌خواهند که آن را از معادله گاوس بدست آورد، یا آنکه اصلا به آن اشاره‌ای نمی‌کنند. دو طرف معادله (5) را بر f² تقسیم می‌کنیم، خواهیم داشت:

1 = xx'/ff

که x/f و x'/f فاصله‌های جسم و تصویر بر حسب فاصله کانونی است. مناسب است که این عبارتها را به ترتیب با نمادهای x و 'x نمایش دهیم:(معادله 6)

'I = xx

معادله (6) نکته جالب و مفیدی را آشکار می‌سازد و آن این است که فاصله جسم برحسب فاصله کانونی ، x ، و فاصله تصویر برحسب فاصله کانونی ، 'x ، کمیتهایی هستند که با هم نسبت عکس دارند. از معادله‌های (3) و (4) می‌توان نوشت:(معادله 7)

q/f = M + 1

با جاگذاری ('f+x) برای q ، معادله (7) خواهد شد:

f + x')/f = M + 1)

پس از ساده شدن می شود:

1 + x'/f + 1 = M

x'/f = M

با جاگذاری 'x در سمت چپ معادله فوق ، خواهیم داشت:(معادله 8)

x' = M

می‌بینیم که معادله نیوتن برای عدسی می‌تواند از معادله گاوسی مناسبتر باشد، چون فاصله تصویر بر حسب فاصله کانونی از نظر عددی برابر با بزرگنمایی عدسی می‌شود. به همین ترتیب فاصله شیء بر حسب فاصله کانونی برابر عکس بزرگنمای می‌شود:(معادله 9)

x = 1/M

به مثال تصویر برداری از عمارت 30 متری برگردیم. تصویر در 1000/1 فاصله کانونی نسبت به کانون متناظر ، 'F و پشت عدسی تشکیل می‌شود. از آن سو ، شیء در 1000 برابر فاصله کانونی نسبت به کانون متناظر ، F ، جلوی عدسی قرار دارد. به عنوان مثالی دیگر ، دستگاه پروژکتور فیلم متحرک 35 میلیمتری را در نظر بگیرید. قاب تصویر 22×18 میلیمتر را اندازه می‌گیرد، اما برای پروژکتور به هنگام فیلمبرداری ابعاد فیلم 17.8×20.9 میلیمتر می‌شود. اگر فیلم بخواهد روی پرده‌ای به عرض 8 متر نمایش داده شود، در آن صورت بزرگنمایی تصویر خواهد شد: M = 8000/20.9 mm = 383

یعنی فاصله تصویر بر حسب فاصله کانونی 383 برابر فاصله کانونی تا پرده می‌شود. بنابراین ، می‌بینیم که بیان فاصله‌های جسم و تصویر (بر حسب کانونی) به عنوان تابعی از بزرگنمایی راهی سریع و مستقیم برای تجسم رابطه‌ها در معادلات عدسی است. معادله نیوتن ، بویژه ، کاربرد ساده و مفیدی را در این خصوص ارائه می‌دهد.

بینائی

مقدمه

گیرندگان حسی ما دروازه‌هایی هستند که از راه آنها عالم خارج را می‌شناسیم و مهمترین این دروازه‌ها بینایی است. نابینایان در جهانی زندگی می‌کنند که آن را فقط از راه صوت و تماس پوست و سرما و گرما و بو و مزه می‌شناسند. کور مادرزاد حتی در خواب صورت ذهنی بینایی ندارد. دیدن را می‌توان از چند جهت مورد تحقیق قرار داد. مثلاً نقاش می‌خواهد بداند چگونه جهان دیدنی را رسم کند تا رنگها و ارتباط اشیاء بهتر به نظر آید، فیزیکدان علاقمند است محرک نور را تجزیه کند، فیزیولوژیست‌ها و متخصصان اعصاب می‌خواهند بدانند تاثیر فیزیولوژیست نور چیست و چگونه از چشم به مغز می‌رسد، روانشناسان علاقه دارند بدانند خود دیدن چیست و واکنش ارگانیزم نسبت به نور کدام است. اما وقتی روانشناس می‌پرسد چرا می‌بینیم و چرا به این ترتیب واکنش می‌کنیم برای پاسخ خود ناچار است به آنچه فیزیک و شیمی و فیزیولوژی و عصب شناسی یافته است، رجوع کند.

تحریک حس بینائی

در نظر فیزیک، نور از امواج الکترومگنتیک تشکیل شده است. وقتی این امواج به ماده برخورد می‌کنند در آنها تغییراتی پدید می‌آیند مثلاً در عبور از منشور شیشه‌ای، شکسته می‌شوند و وقتی بر سطح غیر شفافی بتابد جذب یا منعکس می‌شود. مثلاً مخمل سیاه همه امواج نور را جذب می‌کند و به این علت است که سیاه به نظر می‌رسد. آنچه بنظر ما کاملاً سفید می‌آید همه امواج نور را منعکس کرده است. سطوح دیگر بعضی از امواج را جذب و بعضی را منعکس می‌کنند و در نتیجه بنظر ما رنگی می‌آیند.

چشم ما نسبت به آن دسته امواج حساسیت دارد که 400 تا 700 میلی کرون 4 طول دارند امواجی که که طول آنها به 400 نرسد یا از 700 میلی کرون تجاوز کند دیده نمی شوند این است که زیر سرخ یعنی امواجی که طول آنها بیش از 700 میلی کرون است و ماورای بنفش (طول موج کمتر از 400 میلی کرون) را دیگر نمی‌توان نور نامید. وقتی نور آفتاب از منشوری بگذرد شکسته می‌شود امواج کوتاه تر بیشتر شکسته می‌شود و امواج درازتر کمتر. این است که رنگ سفید به رنگهای قوس و قزح تجزیه می‌شود چنانچه در شکل دوم دیده می‌شود امواج درازتر که کمتر شکسته می‌شوند سرخ بنظر می‌آیند امواجی که کمی از آن کوتاه‌تر کمی بیشتر شکسته می‌شوند و نارنجی بنظر می‌رسند. پس از آن زرد و سبز و آبی و بنفش می‌آیند. رابطه بین طول موج و رنگ در تصاویر رنگی 1 و 2 دیده می‌شود.

شکل دوم نیز رابطه بین طول موج انرژی نورانی و پدیده دیدن را نشان می‌دهد در منحنی عبور نور از شیشه سرخ رنگ و منحنی جذب نور در مورد کلروفیل که موجب می‌شود برگها سبز دیده شوند دقت کنید. شیشه سرخ بدان سبب سرخ است که وقتی آنرا بین چشم و نور آفتاب قرار دهیم فقط امواج درازتر را از خود عبور می دهد.و امواج دیگر توسط آن جذب می شود برگ سبز نیز اغلب امواج را جز امواجی که در وسط واقع شده‌اند (سبز) جذب می‌کند این امواج منعکس می‌شوند و به چشم می‌خورند و در نتیجه برگ بنظر ما سبز می‌آید. پس رنگ صفت ذاتی اشیاء نیست بلکه مربوط به طول موجی است که از آن شی منعکس می کنند و به چشم می خورد اغلب چیزها نه یک موج بلکه مخلوطی از امواج را عبور می‌کنند که کلروفیل تا حدی همه امواج را از 400 تا 700 میلی کرون منعکس می‌کنند رنگی که دیده می‌شود بسته به این است که گیرندگان رنگ در چشم چگونه به این مخلوط پیچیده پاسخ می‌دهند. هر چند گیرندگان بینائی ما نسبت به طول موجهای بین 400 تا 700 میلی کرون حساس هستند نسبت به همه این موجها یکسان حساس نیستند چنانکه در شکل دوم دیده می‌شود خداکثر درجه دیده شوندگی صفت امواجی است که در وسط قرار دارند.

بدین ترتیب منحنی حساسیت برای دیدن در نور روز در حوالی 550 میلی کرون به حداکثر خود می‌رسد و هر چند از آنجا به سوی دو کرانه 400 و 700 میلی کرونی برود کم می‌شود. هنگام روز نسبت به یک ناحیه از طیف نور حساسیت ما بیشتر است و در شب نسبت به ناحیه دیگر. در نور روز (یا در شب وقتی نور خیلی زیاد باشد). حداکثر حساسیت چشم در ناحیه 550 میلی کرون است در شب وقتی که چشم به تاریکی عادت کرده است حساسیت آن نسبت به طول موج حوالی 510 میلی کرون یا بیشتر است بدین ترتیب حساسیت بیشتر چشم به سوی قطب بنفش طیف متمایل می‌شود، بنابراین در نور کمتر شب درخشانی آبی و بنفش نسبت به سرخ و نارنجی بیشتر می‌شود.

برای آزمایش این امر که پدیده پورکینجه را می‌توان با مطالعه دو منحنی درخشانی شکل 1 درک کرد این تغییر در نتیجه آن است که ما دو دسته گیرنده حس بینائی داریم: یک دسته برای نورهای شدید و دسته دیگر برای نورهای خفیف. سیری یا اشباع رنگ با پیچیدگی طول موج آن همبستگی دارد نور یک رنگ بیش از همه سیر شده است اگر نور سفید را با آن مخلوط کنید سیری خود را از دست می‌دهد و کم رنگ بنظر می‌آید اگر دو رنگ مختلف را باهم بیامیزید سیری خود را از دست می‌دهند مثلاً آبی و سبز وقتی مخلوط شوند کمتر آبی و کمتر سبز می‌شوند و آبی متمایل به سبز یا سبز متمایل به آبی نتیجه می‌شود.

درخشانی چنانکه گفتیم با طول موج ارتباط دارد موجهای وسط طیف نور درخشندگی بیشتری از موجهای دو طرف دارند دامنه امواج نور میزان شدت آنها را نشان می‌دهند و با درخشانی ارتباط دارند لیکن نباید فرض کرد که درخشانی با دامنه موج ارتباط مستقیم دارد زیرا سازگاری چشم نیز در تعیین درخشانی چیزها دخیل است وقت هنگام روز وارد سالن تاریک سینما می‌شویم. در آغاز هیچ کس را نمی‌بینیم و بتدریج که چشم ما با تاریکی سازگار شود اشخاص را تشخیص می‌دهیم و وقتی از سالن تاریک سینما در نور روز بیرون بیائیم نخست چشم ما خیره می‌شود تا اینکه بتدریج با نور زیاد سازگاری پیدا می‌کند.

طول موج و دامنه موج

روشنی حتی از درخشانی کمتر قابل پیش بینی است. دیدیم که دو دایره خاکستری در دو متن مختلف با آنکه میزان انعکاس نور در آنها یکی است از لحاظ روشنی مختلف بنظر می‌رسد. ثبات روشنی گواه دیگری است بر اینکه روشنی سطحی را صرفاً با در نظر گرفتن شدت نوری که از آن منعکس می‌شود نمی‌توان در نظر گرفت. مخمل سیاه حتی هنگامی که نور زیاد بر آن تابیده شود سیاه بنظر می‌رسد و کاغذ سفید بنظر می‌آید. درجات مختلف دیده شوندگی را می‌توان با نردبانی نمایش داد سفید یک طرف آن و سیاه طرف دیگر باشد. خاکستری خنثی در چنین نردبانی در پله وسط خواهد بود. درخشانی رنگها را خنثی می‌خوانیم وقتی درخشانی آنها مساوی با درخشانی خاکستری در پله وسط این نردبان باشند به همین سان وقتی دو رنگ درخشانی مساوی با درخشانی خاکستری معینی در یکی از پله‌های نردبان داشته باشند. گوئیم درخشانی آنها باهم مساوی است.

پس تصویر 2

وقتی چشم ناگهان با نور شدید تحریک شود شخص تا لحظه‌ای پس از نابود شدن محرک پس تصویر محرک را می‌بیند مثلاً اگر محرک چراغ الکتریک بوده است تصویر میله نورانی درون آن تا لحظه‌ای پس از خاموش شدن نور روی دیوار دیده می‌شود نیز اگر شخصی ناگهان چشمش را ببندد ممکن است تصویر آن را حس کند پس تصویر مثبت معلول آن است که تحریک اعصاب دیدن پس از ناپدید شدن محرک لحظه‌ای بجا می‌ماند و شبیه به خود محرک است لیکن پس تصویر مثبت حداکثر فقط چند ثانیه به جا می‌ماند. وقتی پس تصویر مثبت محرکی ناپدید شود پس تصویر منفی جای آن را می‌گیرد پس تصویر منفی از لحاظ رنگ و درخشانی مکمل محرک اصلی است. مثلاً اگر میله روشن چراغی زرد درخشان باشد پس تصویر منفی آن آبی سیر می‌شود. می‌توانید با بکار بردن تصویر سوم پس تضویر منفی را در خود بیازمایید همه شکل جز یک دایره را بپوشانید و سی ثانیه به وسط آن خیره شوید آنگاه به ناحیه سفید یا خاکستری نگاه کنید یا اصلاً چشمهای خود را ببندید دایره‌ای خواهید دید که رنگ مکمل آن را دارد بهمین ترتیب دایره‌های دیگر را آزمایش کنید.

تضاد خود بخود

وقتی قطعات کاغذ خاکستری که از یک ورقه بریده شده باشد روی زمینه‌هایی از رنگهای مختلف گذاشته شوند آثار رنگ مکمل زمینه بر آنها دیده می‌شود مثلاً خاکستری در زمینه سرخ سبز رنگ و در زمینه آبی زرد رنگ بنظر می‌رسد. از اثر تضاد خود بخود در روشن کردن صحنه تاثر استفاده می‌کنند مثلاً با بکار بردن نور زرد در صحنه تاثر اشیاء خاکستری را آبی رنگ و اشیاء آبی را سیر تر از آنچه هستند جلوه می‌دهند برای بهتر شناختن پدیده دیدن لازمست از ساختمان چشم و فیزیولوژی آن نیز آگاه شویم.

بعضی همبستگیهای ساختمانی و کنشی

در پوشش داخلی چشم که شبکیه خوانده می‌شود ملیونها سلول عصبی قرار دارد که نسبت به نور حساسند ( شکل سوم) برای ادراک شکل اجسام لازمست تصویری از آنها بر شبکیه بیفتد همانطور که در دوربین عکاسی تصویری روی فیلم می‌افتد بین چشم و دوربین عکاسی شباهتهای زیاد موجود است اما این تفاوت اساسی نیز هست که در دوربین برای متمرکز کردن نور روی فیلم ذره بین را پیش و پس می‌بریم در صورتی که در چشم ذره بین خود تغییر شکل می‌دهد یعنی تحدب آن کم و زیاد می‌شود تصویری که روی شبکیه می‌افتد مثل تصویر روی فیلم در دوربین عکاسی وارونه است اگر توسط دستگاه مرکب از چند عدسی تصویر را از قبل از آن که به چشم برسد وارونه کنیم تصویری روی شبکیه مستقیم می افتد در آن صورت آن شیء معکوس دیده می شود. شکل سوم و زیر نویس آن قسمتهای مختلف چشم و کنش هر یک را نشان می‌دهد ساختمانهای مهم شبکیه در شکل چهارم نشان داده شده‌اند اینها گیرندگان دیدن هستند که مخروط‌ها و میله‌ها خوانده می‌شود جریانهای عصبی که در اثر تحریک نور پدید می‌آیند توسط عصب بصری به مغز منتقل می‌شوند

هاریکن ها

هاريکن ها

نویسنده : سعید سیوف جهرمی

هاريکن ها چرخند هايي هستند که برروي اقيانوس هاي گرم حاره اي توسعه مي يابند و داراي باد هاي تقويت شوند هاي هستند که سرعت آنها حد اقل 64 نات (74 متر در ساعت ) مي باشد اين توفان ها قابليت توليد باد هاي خطر ناک و باران هاي سيل آسا و طغيان گرا دارند که همه اين موارد باعث بروز خسارات فراوان و تلفات جاني در نواحي ساحلي مي گردد به طور مثال يک طوفان به ياد ماندني که تلفات جاني 50 نفره و خسارت مالي 30 ميليون دلاري در بر داشت توفان Andrew است که تصوير آن در بالا نشان داده شده است

هدف اصلي راين مبلحث معرفي هاريکن ها و نحوه شکل گيري آنها و تشريح چگونگي تاثير شرايط جوي در توسعه هاريکن ها مي باشد

هاريکن ها :

 هاريکن ها چرخند هاي حاره اي هستند که سرعت باد آنها از 64 نات بيشتر باشد هاريکن ها در نيمکره شمالي در خلاف جهت عقربه هاي ساعت و در نيمکره جنوبي در جهت عقربه هاي ساعت حول مرکز خود مي چرخند هاريکن ها از تجزاي ساده توفان هاي تنمدري شکل مي گيرند اين توفان هاي تندري به کمک اقيانوس و شرايط جوي به هاريکن تبديل مي شوند در ابتدا دماي آب اقيانوس بايد بيشتر از 25 درجه سانتيگراد باشد( 81 درجه فارنهايت ) گرما ورطوبت آب گرم اقيانوس ها به عنوان منبع انرژي براي هاريکن ها حساب مي شوند به همين دليل است که هاريکن ها به هنگام عبور از روي خشکي و يا اقيانوس هاي سرد تر ويا مناطقي که داراي گرما ورطوبت کافي نباشند به سرعت تضعيف مي شوند

علاوه بر اقيانوس ها ي گرم شرجي و رطوبت بالادر تراز هاي مياني و پايين جو براي توسعه هاريکن ها مورد نياز مي باشند اين شرجي بالا مقدار تبخير را در ابرها کاهش مي دهدو گرماي نهان آزاد شده ناشي از بارندگي را افزايش مي دهد تمرکز گرماي نهان براي حرکت سيستم حياتي است

برش قائم باد در محيط اطراف چرخند هاي حاره اي بسيار با اهميت است که منظور از برش باد ميزان تغيير ر سرعت و جهت باد با افزايش ارتفاع است

هنگامي که برش باد ضعيف باشد توفان که قسمتي از چرخنده است به صورت قايم رشد مي کند و کرماي نهان ناشي از چگالش در هوايي که مستقيما در بالاي توفان قرار دارد آزاد مي شود و به توسعه توفان کمک مي کند هنگامي که برش باد قوي تري وجود داشته باشد توفان به صورت اريب وکج در مي آيد و گرماي نهان بر روي منطقه گسترده تري آزاد مي شود

پيشرفت اوليه توفان) توفان هايي که تبديل به هاريکن مي شوند ):

هاريکن ها از منطقه يک توفان تندري سرچشمه مي گيرند اين توفان هاي تندري معمولا به يکي از سه روش زير شکل مي گيرند اولين مورد (ITCZ) يا منطقه همگرايي درون حاره اي(ITCZ) مي باشد حلقه توفان هاي تندري مي باشد که دور تا دور کره زمين را د مناطق حاره اي مي پوشاند همان طور که در شکل زير نشان داده شده است امواج شرقي تجارتي در نزديکي استوا همگرا مي شوند و توفان هاي تندري را ايجاد مي کنند که مي توان آنها را توسط تصاوير ماهواره اي در طول استوا مشاهده کرد.

 

دومين منبع براي توفان هاي تندري که مي توانند هاريکن ايجاد کنند امواج متحرک جوي هستند که به امواج شرقي معروفند امواج شرقي شبيه امواج عرض هاي مياني هستند با اين تفاوت که آنها در جريان تجاري شرقي هستند همگرايي ناشي از اين امواج باعث ايجاد توفان هاي تندري مي گردد که مي توانند به هاريکن تبديل شوند

 

 

سومين مکانيسم توليد توفان هاي تندري در امتداد مرز جبهه هاي پير (old) مي باشد که به سوي سواحل فلوريدا و خليج مکزيک حرکت مي کنند توسعه و پيشرفت اين جبهه ها مي تواند باعث ايجاد توفان گردد که اگر شرايط جوي واقيانوسي مساعد باشد اين توفان ها مي توانند به چرخند هاي حاره اي توسعه پيدا کنند نقشه زير مناطقي از جهان را که چرخند هاي حاره اي مي توانند از آنجا سرچشمه بگيرند نشان مي دهد توفان هاي تندري معمولا در نيمکره شمالي يافت مي شوند اما اقيانوس آرام و اقيانوس هند نيز مي توانند توفان هايي را در نيمکره جنوبي ايجاد کنند در نقاط مختلف جهان هاريکن ها با نام هاي مختلف نام گذاري مي شوند

دراستوا سطح اقيانوس براي توليد هريکن به اندازه کافي گرم است اما هيچ هاريکني ايجاد نمي شود زيرا نيروي کوريليس براي ايجاد چرخش والقا کردن پتانسيل هاريکن کم است.

 

CISK: چگونه توفان هاي تندري به هاريکن تبديل مي شوند :

CISK (واپيچش همرفتي نوع دوم ) نظريه معروفي است که توضيح مي دهد که چگونه توفان ها تندري مي توانند چگاليده شده و به هاريکن تبديل شوند CISK يک سيستم  feedback مثبت است به اين معني که هرگاه يک عمليات آغاز مي شود منجر به يک سري پيشرفت هايي مي شود که خود باعث پيشرفت کل آن عمليات مي گردد و اين چرخه به طور متناوب تکرار مي گردد.

هواي روي سطح که به درون يک مرکز کم فشار مي چرخد باعث ايجاد همگرايي مي شود و مرکز کم فشار به طرف بالا صعود مي کند هوا سرد مي شود و رطوبت چگاليده مي شود که موجب آزاد شدن گرماي نهان مي گردد اين گرماي نهان آزاد شده است که باعث تامين انرژي توفان ذمي شود

       

 

از آنجا که چگالي هواي گرم از هواي سرد کمتر است هواي گرم فضاي   کمتري را اشغال مي کند اين گسترش هواي گرم هواي بيشتري را از مرکز توفان به بيرون منتقل مي کند و فشار سطح (وزن هواي بالاي سطح) کاهش ميابد وقتي که فشار سطح کاهش پيدا مي کند يک گراديان فشار بزرگتر شکل مي گيرد و هواي بيشتري به سمت مرکز توفان همگرا مي شود اين امر باعث ايجاد همخگرايي سطحي بيشتري مي شود وموجب مي رشود که هواي مرطوب سطحي بيشتري به هوا بلند شود اين هوا وقتي که سرد شود چگاليده شده و به ابر تبديل مي شود وقتي اين امر اتفاق مي افتد گرماي نهان بيشتري آزاد مي شود

اين چرخه به طور متناوب تکرار مي شود و هر بار باعث قوي تر شدن طوفان مي شود تا آنجا که فاکتورهاي ديگر مانند آب سرد سطح خشکي و يا برش شديد باد باعث ضعيف شدن آن مي شود

مراحل توسعه توفان )از آشفتگي هاي حاره اي تا هاريکن):

طوفان ها در يک چرخه از تولد تا مرگ دچار آشفتگي هاي زيادي مي شوند يک آشفتگي حاره اي مي تواند با دستيابي به يک سرعت باد مشخص به يک مرحله شديد تر توسعه پيدا کند پيشرفت آشفتگي حاره اي در تصوير زير قابل ديدن است.

توفان ها گاهي اوقات مي تو.انند براي يک دوره زماني طولاني به اندازه دو يا سه هفته زندگي کنند آنها ممکن است از دسته اي از توفان هاي تندري بر روي آب هاي اقيانوس هاي حاره اي سرچشمه بگيرند

وقتي که يک آشفتگي به يک آشفتگي حاره اي تبديل مي شود مدت زماني که طول مي کشد تا به مرحله بعد توسعه پيدا کند (توفان حاره اي) نصف روز تا دو روز مي باشد گاهي اوقات هم ممکن است اتفاق نيافتد همين مدت زمان نيز طول مي کشد که يک توفان حاره اي به شدت يک هاريمن تقويت شود شرايط اقيانوس و جو مهمترين نقش را در رخداد اين پديده ها ايفا مي کنند.

در تصوير زير که مربوط به يک تاوفان در سال 1995 است آشفتگي هاي حاره اي به وضوح ديده مي شوند.

 

در سمت چپ تصوير توفان حاره اي Jerry در بالاي فلوريدا مشاهده مي شود ودر سمت راست توفان Iris بين دو آشفتگي حاره اي قابل ديدن است

 

آشفتگي حاره اي ( Tropical depression)

هر گاه دسته از توفان هاي تندري در شرايط مساعد جوي در کنار يکديگر قرار گيرند تشکيل آشفتگي حاره اي مي دهند سرعت باد در مرکز آشفتگي تقريبا به طور ثابتي بين 30_20 نات مي باشد

يک آشفتگي حاره اي زماني اتفاق مي فتد که اولين علايم کم فشاري و چرخش در مرکز توفان تندري رخ دهد در نقشه هاي سطح زمين ايزو بار ها به هم نزديک مي شوند و اين کم فشاري را نشان مي دهد

 

وقتي که تصاوير ماهواره اي مشاهده مي شود به نظر مي رسد که آشفتگي حاره اي سازمان دهي اندکي داشته باشد با وجود اين معمولا مقدار اندکي چرخش به هنگام مشاهده تصاوير ماهواره اي مشاهده مي شود علاوه بر حالت چرخشي که آشفتگي حاره اي را شبيه هاريکن ها نشان مي دهد اشفتگي حاره اي به دسته اي از توفان ها ي تندري که در کنار يکديگر نيز تجمع يافته اند نيز شبيه است.

 

توفان هاي حاره ای

وقتي که يک آشفتگي حاره اي به حد اکثر سرعت خود که بين 64_35 نات است مي رسد به توفان تندري تبديل مي شود در اين زمان به آن يک نام اختصاصي مي دهند در اين مدت توفان خو د به خود سازماندهي شده و حالت چرخشي آن بيشتر مي شود و براي تبديل شدن به هاريکن آماده مي شود

حالت چرخش توفان تندري نسبت به چرخش آشفتگي حاره اي بيشتر است توفان تندري حتي بدون تبديل شدن به هاريکن نيز مي تواند مشکلات زيادي ايجاد کند عموما بيشتر مشکلاتي که يک توفان تندري ايجاد مي کند ناشي از بارش زياد است

 

تصوير ماهواره اي بالا مربوط به توفان تندري Charl مي باشد (1998) بيشتر شهرهاي جنوبي تگزاز بارندگي سنگين بين 10_5 اينچ را گزارش کردند از جمله اين موارد بارش درDelrio بود که بيشتر از 17 اينچ در يک روز گزارش شد و مردم را از خانه هايشان خارج کرد و 6 نفر تلفات جاني در بر داشت

ساختار کلي هاريکن ها:

هنگامي که فشار سطح شروع به افت مي کند توفان حاره اي تبديل به هاريکن مي شود و سرعت باد ان به 64 نات مي رسد و چرخش حول هسته مرکزي توسعه پيدا مي کند هاريکن ها قوي ترين چرخنده هاي حاره اي زمين هستند يک وي|گي مشخص در همه هاريکن ها که فقط مربوط به آنها مي باشد نقطه تيره اي است که در وسط هاريکن ها يافت مي شود و به آن چشم توفان مي گويند اطراف چشم توسط کمربندي از شديد ترين باد ها و بارندگي ها احاطه شده است که به آن ديوار چشم (eye wall ) مي گويند نوار بزرگي از ابرها ي باران زا در اطراف ديوار چشم به طور مارپيچ وجود دارد که به آنها نوار مارپيچي گفته مي شود (Spiral bamd) هاريکن ها به راحتي توسط نوتر چرخشي دور چشم در تصاوير ماهواره اي و راداري قابل تشخيص هستند هاريکن ها با توجه به سعت باد آنها توسط مقياس (saffir simpson) دسته بندي مي شوند اين مقياس از دسته 1 تا دسته 5 تغيير مي کند که توفان دسته 5 مخرب ترين توفان است

در شرايط مساعد جوي هاريکن ها مي توانند براي مدت 2 هفته عمر کنند در بالاي اب هاي سرد يا سطح خشکي هاريکن ها به سرعت ضعيف مي شوند

چشم هاريکن :مرکز توفان

مهمترين مشخصه که در هاريکن ها يافت مي شود چشم توفان است چشم در مرکز توفان قرار دارد و قطرآن بين 50_20 کيلومتر است چشم نقطه تمرکز توفان است و نقطه اي است با کمترين فشار سطحي که بقيه توفان در آن مي چرخد در تصوير زير چشم طوفان به خوبي قابل ديدن است

 

 

آسمان اغلب در بالاي چشم صاف است و باد نسبتا آرام مي باشد در حقيقت چشم آرام ترين قسمت هر توفان است چشم به اين دليل آرام ترين قسمت است که باد شديدي که به سمت مرکز همگرا مي شود هرگز به آن نمي رسد نيروي کوريليس باد را به آرامي از مرکز منحرف مي کند و منجر به چرخش آن دور مرکز هاريکن مي شود (eye wall) که اين امر موجب مي شود مرکز آرام باشد

چشم هنگامي قابل ديدن مي شود که هواي صعود کننده به جاي اينکه به بيرون منتقل شود به سمت مرکز توفان انتقال يابد اين هوا از تمام راستاها به سمت داخل حرکت مي کند اين همگرايي موجب مي شود که هوا در مرکز توفان نزول کند اين نزول هوا محيط اطراف را گرم تر مي کند و تبخير ابرها موجب پيدا شدن يک منطقه صاف در مرکز مي شود

ديوار چشم (ويرانگر ترين منطقه هاريکن )

ديوار چشم در اطراف چشم قرار دارد اين مکان جايي است که بيشترين باد هاي مخرب و شديد ترين بارندگي ها در انجا يافت مي شود در تصوير زير ديوار چشم نشان داده شده است

 

ديوار چشم به اين دليل به اين نام خوانده مي شود که معمولا مرکز هاريکن توسط ديواري از ابر احاطه مي شود در سطح زمين باد به طرف مرکز طوفان در حرکت است و هوا را مجبور مي کند که در مرکز صعود کند همگرايي ديوار چشم به اندازه اي شديد است که هوا با سرعت بيشتري نسبت به نقاط ديگر هاريکن به بالا کشيده مي شود بنابر اين انتقال رطوبت از اقيانوس به توفان و گرماي نهان ازاد شده در اين مکان بيشتر است

 

نوار مارپيچ(جايي که بيشترين بارندگي مشاهده مي شود )

ازسمت مرکز توفان که به بيرون حرکت کنيم مي توانيم نواري را که ساختار ابري دارد مشاهده کنيم اين ابرها نوار مارپيچ باران نيز نام دارند که در تصوير زير به خوبي قابل مشاهده هستند

 

 

گاهي اوقات فاصله هايي بين اين نوار ها وجود دارد که هيچ بارندگي در آ؛نها ديده نشده است به طور کلي اگر از لبه هاريکن به طرف مرکز آن حرکت کنيم خواهيم ديد که در برخي از نواحي آن بارندگي شديد است و در برخي نواحي بارندگي آرام است و اين امر به طور متوالي تکرار مي شود تا به مرکز توفان برسيم و هرچه به مرکز وچشم هاريکن نزديک تر شويم بارندگي شديد تر مي شود

 

طرحي از اين شکل مارپيچي در شکل بالا نشان داده شده است توفان تندري اکنون به مناطقي با هواي صعود کننده يا نزول کننده سازماندهي شده است بيشتر هوا در حال صعود است ولي مقدار کمي از هوا نيز يافت مي شود که نزول مي کند

11_فشار و باد ( توزيع در امتداد هاريکن)

فشار جو و سرعت باد در امتداد قطر هاريکن تغيير مي کند تصوير زير تغييراتي از سرعت باد ابي و فشار سطح قرمز را در امتداد يک هاريکن نشان مي دهد در فاصله بين 200_100 کيلومتر از چشم باد به اندازه کافي قوي است تا قابليت هاي يک توفان حاره اي را داشته باشد فشار جو نيز در اين فاصله نسبت به مرکز توفان به اندازه کافي بالا مي باشد( ml 9901010 )

با اين وجود هرچه به ديوار چشم نزديک مي شويم فشار بيشتر افت مي کند و سرعت باد افزايش مي يابد در فاصله حدود 100_50 کيلومتري بيشترين تغييرات در فشار و سرعت باد رخ مي دهد

فشار با سرعت بيشتري افت خواهد کرد اگر سرعت باد به طور همزمان با آن کاهش يابد در ديوار چشم سرعت باد به حد اکثر مقدار خود مي رسد اما در مرکز و در چشم باد بسيار آرام است فشار سطح در امتدا ديوار چشم باز هم کاهش مي يابد تا به حد اقل مقدار خود در مرکز برسد با خروج از مرکز باد و فشار با سرعت افزايش پيدا مي کند در طرف ديگر ديوار چشم باد با سرعت افزايش پيدا مي کند و سپس به مرور کاهش پيدا مي کند نيمرخ فشار و باد در داخل يک هاريکن کاملا متناسب است بنابر اين در ديوار چشم افزايش سريع فشار و سرعت باد انتظار مي رود و همچنين بعد از آن افزايش آهسته تر فشار و کاهش سرعت باد مورد انتظار مي باشد

حرکت هاريکن ها :

الگوي جهاني باد که با نام گردش عمومي شناخته مي شود و باد هاي سطحي هر نيم کره به سه دسته کمر بند باد تقسيم مي شوند :

الف- امواج شرقي قطبي-از 90_60 درجه عرض جغرافيايي

ب- بادهاي غربي 60_30 درجه عرض جغرافيايي

ج- امواج شرقي حاره اي از 30_0 درجه عرض جغرافيايي(بادهاي تجاري)

 

بادهاي تجارتي شرقي در هر دو نيمکره در منطقه اي نزديک استوا همگرا مي شوند (ITCZ) که به آن منطقه همگرايي درون حاره اي مي گويند که کمربندي از ابرها و توفان هاي تندري را پديد مي آورد که بخش هايي از کره زمين را دور مي زند مسير يک هاريکن به طور کلي يک کمربند بادي دارد که هاريکن در آن واقع است به طور مثال هاريکني که از آتلانتيک حاره اي شرقي سرچشمه مي گيرد توسط باد هاي تجاري شرقي به غرب در منطقه حاره اي منتقل مي شود سر انجام اين توفان ها به سمت شمال و مناطق فوق حاره اي مهاجرت مي کنند و به عرض هاي بالا تر مي روند به عنوان مثال در اثر اين حرکت ها خليج مکزيک و سواحل شرقي ايالات متحده در اين خطر هستند که هر سال يک يا دو هاريکن را تجربه کنند

 

 

پس از آن هاريکن ها توسط امواج غربي به شمال و عرض هاي مياني منتقل مي شوند و گاهي اوقات با سيستم هاي جبهه اي عرض هاي مياني ترکيب مي شوند

هاريکن ها انرزي خود را از سطح آبهاي گرم مناطق حاره اي کسب مي کنند به همين دليل است که هنگامي که آنها از روي آبهاي سرد مناطق عرض هاي مياني و خشکي ها عبور مي کنند به سرعت ضعيف شده و از هم مي پاشند.

توفان‌ موسمي چیست؟

توسعه پايدار يا Sustainable Development در حقيقت ايجاد تعادل ميان توسعه و محيط زيست است.

در سال 1980 براي نخستين بار نام توسعه پايدار در گزارش سازمان جهاني حفاظت از منابع طبيعي (IUCN) آمد. اين سازمان در گزارش خود با نام استراتژي حفظ منابع طبيعي اين واژه را براي توصيف وضعيتي به كار برد كه توسعه نه تنها براي طبيعت مضر نيست، بلكه به ياري آن هم مي‌آيد.

پايداري مي‌تواند چهار جنبه داشته باشد: پايداري در منابع طبيعي، پايداري سياسي، پايداري اجتماعي و پايداري اقتصادي.

در حقيقت توسعه پايدار تنها بر جنبه زيست محيطي اتفاقي تمركز ندارد بلكه به جنبه‌هاي اجتماعي و اقتصادي آن هم توجه مي‌كند. توسعه پايدار محل تلاقي جامعه، اقتصاد و محيط زيست است.

يكي از مهمترين رويدادهاي بين‌المللي كه در زمينه توسعه پايدار وجود دارد، نشست جهاني توسعه پايدار(WSSD) است. در اين نشست توافق‌هايي در زمينه توسعه پايدار ميان شركت‌كنندگان انجام شد.

كاهش تعداد افرادي كه دسترسي به آب ندارد به نصف تا سال 2015 ميلادي، به حداقل رساندن مواد شيميايي كه بر سلامتي انسان و طبيعت اثرات مخرب مي‌گذارند تا سال 2020 ميلادي، نصف كردن سرعت كاهش ذخيره‌هاي دريايي و رساندن منابع دريايي به سطحي پايدار تا سال 2015 ميلادي، كاهش روند از بين رفتن تنوع طبيعي تا سال 2010 ميلادي، افزايش پايداري در استفاده از انرژي‌هاي تجديدشونده و برنامه‌ريزي براي تدوين برنامه‌اي 10 ساله در مورد توسعه پايدار از اصلي‌ترين توافقات اين نشست بود.

هرچند اين روزها بسياري از دولتمردان و فعالان زيست محيطي به دنبال رسيدن به توسعه پايدار هستند، اما برخي فعالان زيست محيطي اين گزينه را براي حفظ محيط زيست كافي نمي‌دانند.

آنها معتقدند در با توجه به روند استفاده از منابع تمام شونده و از بين بردن منابع در جهان واژه "توسعه پايدار" مناسب نيست و بايد از لفظ جايگزيني چون "پايداري توسعه" استفاده كرد تا اين مفهوم در ذهن تداعي نشود كه قرار است منابع جديدي توليد شود.

النینو

النينو (El Niño)

نویسنده:  سعید سیوف جهرمی

دسته هاي در حال رشد ماهي ها در سواحل غربي پرو جاي دسته هاي ماهي هاي مرده كه سواحل را كثيف مي كنند مي گيرد . شرايط غير عادي جو به دليل حركت جت استريم ها توفانها و بادهاي موسمي رخ مي دهد .

همه اين آشفتگي ها به خاطر يك جريان آب گرم است كه هر سه سال يا هفت سال يكبار در سواحل شرقي اقيانوس آرام رخ مي دهد . اين پديده را النينو مي نامند.

اين مقاله مدلي را در مورد النينو و شرايط به وجود آمدن آن بحث مي كند و در مورد اثرات اين پديده در ديگر نقاط مختلف جهان اطلاعاتي به دست مي دهد.

سر فصل هاي مباحث:

1 -  تعريف النينو

2 - حوادث سالهاي 1998- 1997

3 -  پديده upwelling

4 - سالهاي بدون النينو

5 - وقوع النينو

6 - دماي سطح دريا

7 - تاثيرات النينو بر روي جو

8 - اثرات اقتصادي النينو

مدار بدون باد - عرض جغرافيايي اسب

 

مدار بدون باد - عرض جغرافيايي اسب

 Horse Latitude

نوشته : جعفر سپهري

در هر دو سوي خط استوا در عرض جغرافيايي حدود 35-30 درجه شمالي و 30-25 درجه جنوبي كمربند پرفشاري قرار گرفته است كه يك دليل خشك بودن اين ناحيه و وجود صحراهايي همچون افريقا، كوير لوت، نوادا در نيمكره شمالي و كالاهاري و اتاماكا در نيمكره جنوبي وجود اين كمربندهاي پرفشار است. در اقيانوس‌ها هم اين منطقه معروف به منطقه بدون باد معروف بوده، براي كشتي‌هاي بادباني به منزله مانعي جهت دست‌يابي به سوي ديگر بوده است. دريانوردان و هواشناسان اين منطقه را به نام عرض جغرافيايي اسب، Horse Latitude، مي‌نامند. بنا بر گفته‌هاي فرهنگ‌هاي Americana و Britannica وجه تسميه اين نام يكي از سه صورت زير است.

· كشتي‌هايي كه از درياي كاراييب، فراورده‌هاي منطقه به ويژه اسب را به نيوانگلند مي‌بردند، به دليل نبود باد و به پايان رسيدن علوفه، اسب‌ها را در آب مي‌ريختند و پيكرهاي شناور و بيجان اسبان وجه تسميه اين منطقه بوده است.

· به دليل فراواني و پرورش اسب اين منطقه به اين نام معروف شده است.

· دريانوردان اسپانيايي مي‌گفته‌اند كه، بادهاي اين ناحيه همچون يك ماديان، پيش‌بيني‌ناپذيرند.

اما با توجه و مطالعه در كتاب تاريخ هردوت و برداشت جورج سارتون در كتاب تاريخ علم، ترجمه استاد احمد آرام،‌ اينجانب پيشنهاد زير را مطرح مي‌كنم:

با توجه به روايت هردوت مي‌توان پنداشت كه نخستين شخصي كه به اين مدار بدون باد رسيد و آن را كشف كرد، ساتاسپ، دريانورد ايراني بوده است. معناي لغوي واژه ساتاسپ، دارنده يكصد اسب است و پسوند اسب در بسياري از نام‌هاي ايران باستان، از جمله، ويشتاسپ، گشتاسپ، جاماسب، بيوراسپ و ... به چشم مي‌‌آيد. پس از يورش بيگانگان، بسياري از نوشته‌ها و نوشتارهاي دانشمندان ايران، دستخوش نابود? گشت. اما اين سفر دريايي شگفت‌انگيز و منطقه بدون باد، همواره در انديشه و پندار دريانوردان، در هفت دريا، برجاي مانده بوده است. اينچنين مي‌توان انگاشت كه دريانوردان اين منطقه را به ياد كاشف و دريانورد ايراني، منطقه ساتاسپ، مي‌ناميده‌اند. اين نام مي‌توانسته از طريق اندلس مسلمان، به اسپانيا و به تمامي اروپا نفوذ كرده و سرانجام در دوران اقتدار دريايي اروپاييان، به ويژه انگليسي‌ها، اين منطقه با توجه به وجود واژه اسب horse در ريشه لغوي آن، به نام مدار اسبي و يا عرض جغرافيايي اسب؛ Horse Latitude، نامگذاري شده باشد.

ساتاسپ

به گفته هرودوت، در زمان فرمانروايي خشايارشا، ساتاسپ، خواهرزاده داريوش بزرگ، به اعدام محكوم شد. مادر ساتاسپ از خشايارشا خواهش كرد تا مجازات او را تغيير دهند و به مجازاتي كه به گفته او سنگين‌تر از مرگ بود، محكوم كنند:

متن هرودوت:

"و او را مامور سازند تا دور افريقا بگردد و به خليج عربستان (درياي سرخ) بازگردد. خشايارشا اين را پذيرفت و ساتاسپ به مصر رفت، از مصريان كشتي و جاشو گرفت و بادبان‌ها را بر افراشت و از ستون‌هاي هركول (جبل‌الطارق) گذشت. چون اين ستون‌ها را پشت سر گذاشت و دماغه افريقايي سولئيس (راس‌الحديق، عرض جغرافيايي 32 درجه و 40 دقيقه شمالي) را دور زد، به سوي جنوب به‌راه افتاد. ولي پس از آنكه چند ماهي بر دريا پيش رفت و هنوز راه درازي در پيش رو داشت، بازگشت و به سوي مصر رهسپار گرديد. پس از آن به نزد خشايارشا رفت و سرگذشت خود را نقل كرد و گفت كه در آن هنگام كه در دورترين فاصله بوده است، مردمي كوتاه قد را ديده كه با برگ خرما پوشاك خود را مي‌ساختند، و هرگاه كه وي و مردانش به ساحل نزديك مي‌شدند آن مردم از شهر خود به كوه مي‌گريختند. وي و مردانش چون به خشكي پياده مي‌شدند، آنچنان كه رسم ايرانيان است، هيچ بي‌عدالتي و نادرستي نكردند. علت اينكه مسافرت به دور افريقا را به پايان نرساند، بنا به گفته خود وي آن بوده است كه به جايي رسيده بودند كه ديگر كشتي رو به جلو نمي‌رفته و بر جاي خود متوقف مانده بوده است."

اين سفر كه در زمان خود بسيار اعجاب‌انگيز بوده‌است و با كاوش‌هاي فضايي دهه 60 برابري مي‌كند پرسش‌هاي زير را مطرح مي‌سازد:

ساتاسپ در كرانه غربي افريقا تا چه حد پيش رفته است؟

پس از گذر از سولئيس وي مدت چند ماه پيش‌راند تا به جايي‌كه كشتي ديگر پيش نمي‌رفت و بر‌جاي متوقف ماند رسيد. آيا وي به راستي به منطقه بي‌باد استوايي، هم عرض با دماغه سبز (Cape Verde) رسيده بود، يا اينكه بادهاي گرم و جريان دريايي رو به شمال در سواحل گينه مانع اين كار شده بود؟

آيا عرض جغرافيايي بدون باد Horse Latitude مانع از پيشروي وي شد؟

با توجه به حركـت‌هاي چندگانه محور زمين (رقص محوري، چرخه ميلانكويچ، ...) و دگرگوني‌هاي آب و هوايي و اقليمي، در 2500 سال پيش، اين مدار به طور دقيق در چه عرض جغرافيايي قرار داشته است؟

و آيا براي Horse Latitude نام پارسي ساتاسپ ( دارنده يكصد اسب) كه واژه اسب را هم در خود مستتر دارد، براي جايگزيني از هر نظر مناسب‌تر و شايسته‌تر از عرض جغرافيايي اسب نيست؟

هوای پاک با فناوری نانو

افزایش مشکل دی اکسید کربن در هوا یکی از مشکلات اساسی در سطح جهان است. اميد مي رود كه با استفاده از كشف منابع جديد روزي برسد كه از مصرف سوخت هاي فسيلي بي نياز شويم و در هوايي عاري از دي اكسيد كربن و انواع آلودگي ها تنفس كنيم. فناوري نانو از جمله فناوريهايي است كه به كمك حل اين مسئله آمده است و اين امكان را به وجود آورده است تا به سوي ساخت انرژيي ارزان تر و پاكيزه تر از سوخت هاي فسيلي نزديك شويم.

محققان در دانشگاه ملي اوك ريج موفق به ساخت نانوكريستالي شده اند كه ما را در داشتن هوايي پاك تر كمك مي كنند. نانوكريستال درست مانند يك كاتاليزور عمل مي كند، هنگامي كه دي اكسيد كربن هوا بر روي اين نانوكريستال كه داراي كادميوم، سيلينيوم و ايديوم است مي نشيند، يك الكترون به دي اكسيد كربن مي دهد تا در مجاورت ساير اجزاي دود واكنش نشان دهد و بي ضرر شود. اگر فيلترهاي متشكل از اين نانوكريستال ها را بتوان با قيمت مناسب تري ساخت و آنها را در دودكش ها نصب كرد مي توان تا حد زيادي از انتشار و خروج دي اكسيد كربن در هوا جلوگيري كرد.
ذره معلق مضرر ديگري كه دانشمندان اميدوارند تا با استفاده از نانوكريستال بتوانند آنرا خنثي و يا از بين ببرند، بخار جيوه است. تجهيزاتي كه با زغال سنگ كار مي كنند از مهمترين عوامل توليد بخار جيوه و انتشار آن در هوا هستند. يك روش جلوگيري از انتشار جيوه، استفاده از نانوكريستال هاي اكسيد تيتانيوم است كه بخار جيوه را مي توانند به اكسيد جيوه جامد تبديل نمايند.
اگر تاكنون در ترافيك در مجاورت اگزوز و يا دود اتوبوس و يا يك كاميون قرار گرفته باشيد حتما اكسيد نيتروژن را استشمام كرده ايد. موتورهاي ديزلي (گازوئيل سوز) از جمله مهمترين منابع آلوده كننده هوا با اكسيدهاي نيتروژن مي باشند.

شركت بيوفرندلي با كمك آژانس حفاظت محيط زيست و دريافت كمك مالي از ايالت تگزاس، موفق به ساخت نانوكريستالي شده است كه با افزودن آن به گازوئيل مي تواند از توليد اكسيد نيتروژن جلوگيري كند و سبب شود تا سوخت كامل بسوزد.
تصور نكنيد كه صنايع توليد تميز مانند صنايع توليد تراشه هاي كامپيوتري به عنوان آلوده كننده هاي محيط زيست به شمار نمي آيند بلكه برعكس اين صنايع به علت استفاده از مواد شيميايي آلي در فرايندهاي توليد منشا توليد بخارات آلي هستند كه خود مضرر مي باشند. محققان آزمايشگاه ملي شمال غربي اقيانوس آرام در حال بررسي نانوموادي هستند كه با استفاده از آن در فيلترها مي توانند از انتشار بخارات آلي اين دسته از كارخانجات جلوگيري كنند.

شايد در آينده نه چندان دور ديگر چيزي در خصوص ميزان آلودگي هاي هوا در اخبار روزانه نشنويم تا با خيالي آسوده بتوانيم در هوايي پاك تنفس كنيم.

فناوری نانو و خودرو های امروز

در سال های اخير گزارش هايی به گوش می رسد که نانوفناوری در حال دگرگون کردن دانش بشر است. هزينه های پژوهش و توسعه، به سوی توسعه ی نانوفناوری سرازير شده اند. پتانسيل گسترده اين شاخه از دانش، خودروسازان بزرگ دنيا را به سمت آغاز برنامه های پژوهش و توسعه در زمينه فناوری نانو سوق داده که اين فعاليت ها اغلب با همکاری دانشگاه ها و صنايع ديگر همراه است.
در ادامه به معرفی کوتاهی از نمونه های کاربرد فناوری نانو در صنعت خودرو می پردازيم:

• نانوکامپوزيت ها
مواد کامپوزیتی مواد مهندسی ای هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده اند به گونه ای که این مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس(زمينه) و تقویت کننده(پرکننده) تشکیل شده است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد.
يکی از گسترده ترين کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو تا کنون ساخت نانو کامپوزيت ها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزيت ها، ذرات بسيار ريز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزين را بسيار بالا می برند، جايگزين مواد مرسوم مانند ميکا و تالک شده اند. اما علاوه بر ويژگی های فيزيکی بهتر، اين کامپوزيت ها دارای دو برتری ديگر نيز می باشند:
نخست اينکه نانوذرات با ايجاد ماتريکس (زمينه) يکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زيبايی بيشتر را فراهم می کنند و بنابراين نانو کامپوزيت ها سطح زيبا تر و رنگ های شفاف تری دارند.
همچنين نانوکامپوزيت ها به دليل نياز به مواد تقویت کننده ی کمتر، تا حدود بيست درصد نسبت به کامپوزيت های رايج سبک ترند.

• اثر نيلوفری و کاربرد آن در ساخت سطوح خود تميز شونده
يکی از شناخته شده ترين مزيت های فناوری نانو اثر نيلوفری ست که سطوح خود تميز شونده را امکان پذير می سازد. به سبب ساختار بسيار صاف و يکنواخت سطح گل نيلوفر، قطرات آب و گرد غبار از روی گلبرگ ها می لغزند بی آنکه اثری روی آنها به جای گذارند.
بنابراين اگر سطوح اجسام دارای ساختار بسيار صاف و صيقلی (در مقياس نانو) باشند، ذرات آلودگی و همچنين آب روی آنها باقی نخواهد ماند.
رنگ ها و پوشش های سقف خودرو که اين اصل طبيعی را به کار می برند امروزه در بازار موجود می باشند. ساختار نانويي اين سطوح، از جمع شدن ذرات آلودگی و قطرات بسيار ريز آب نيز جلوگيری می کند. همچنين رينگ های خود تميز شونده نيز با استفاده از اين ويژگی در حال توليد هستند.
همچنين پوشش نانويی در حال توليد است که با اضافه کردن آن به سطح شيشه خودرو (برای مثال به روش اسپری کردن)، فرورفتگی های بسيار ريز سطح شيشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ايجاد می کند و در نتيجه قطرات ريز آب و گرد و غبار روی شيشه باقی نمی ماند و بنابراين موجب افزايش ديد راننده، استهلاک کمتر برف پاکن ها و نياز کمتر به شستشوی شيشه و همچنين بهبود ديد در شب در نتيجه کاهش انعکاس مضر نور می شود.
در تصوير زير چگونگی اين فرآيند نشان داده شده است.

• شيشه های نوين با توانايی بازتاب پرتو فروسرخ
نمونه ای ديگر از کاربرد های نانوفناوری در صنعت شيشه خودرو، شيشه هايی با قابليت بازتاب پرتو فروسرخ نور خورشيد می باشد. به اين گونه که يک لايه بسيار نازک از نانوذرات بين دو لايه ی شيشه قرار گرفته اند که وظيفه آنها بازتاباندن پرتو فرو سرخ نور خورشيد و در نتيجه جلوگيری از گرم شدن زياد داخل خودرو می باشد.

• مبدل های کاتاليستی
همانطور که می دانید اگر احتراق به طور کامل و ايده آل رخ دهد خروجیهای حاصل از آن، آب، نیتروژن (N2) و دی اکسید کربن (CO2) می باشد و اگر احتراق در شرایط ايده آل رخ ندهد مثلا برای احتراق هوای مناسب وجود نداشته و.... در اینصورت خروجیهای حاصل از احتراق، گازهای زیان آوری همچون مونو اکسید کربن (CO)، گروه گازهای (NOx) و هیدروکربنهای نسوخته (CH) می باشند. وظيفه مبدل کاتاليستی که در مسير گازهای خروجی از موتور قرار می گيرد اين است که گازهای فوق را به گازهای بی خطر تبدیل کند.

يکی از ويژگی های نانوذرات که در توليد مبدل های کاتاليستی استفاده شده چنين است: سطح تماس ذرات با کاهش اندازه آنها و افزايش تعدادشان (به طوری که جرم کلی مجموعه ثابت بماند) افزايش می يابد. يک دسته از واکنش های شيميايی روی سطح کاتاليست ها رخ می دهند و بنابراين سطح تماس بيشتر، کاتاليست فعال تری را موجب می شود. از اين رو به کارگيری نانوذرات در مبدل های کاتاليستی منجر به توليد مبدل های موثر تر خواهد شد.

وزير ارشاد: 20 بار به مجلات تذكر داديم كه عكس زنان روي جلد ممنوع است

^{وزير ارشاد: 20 بار به مجلات تذكر داديم}

 ^{كه عكس زنان روي جلد ممنوع است}

<sup>در حالي كه حدود سه سال از روي كار آمدن دولت نهم مي گذرد، وزير فرهنگ و ارشاد اسلامي بار ديگر سياست هاي دولت اصلاحات را در حوزه فرهنگ و هنر به طور جدي مورد نقد قرار داد. وي در سخناني كه در دانشگاه امام صادق(ع) انجام داد، سياست هاي فرهنگي دولت خاتمي در حوزه هاي سينما، مطبوعات، موسيقي، هنرهاي تجسمي و نمايش را به شدت نقد كرد و در مواردي آنها را مخالف اسلام و نظام جمهوري اسلامي دانست. وي در بخش هايي از اين مراسم، صدا و سيما را نيز به طور ضمني مورد نقد قرار داد. وي به برخي از موسيقي هاي غيرمجاز اشاره كرد كه از صدا و سيما پخش مي شوند و با تاكيد بر اينكه وزارت ارشاد تنها مكان قانوني مسوول ارائه مجوز موسيقي است، گفت سازمان صدا و سيما هم براي پخش موسيقي بايد از معاونت هنري وزارتخانه مجوز بگيرد. وي افزود؛ «با پيگيري موسيقي هايي كه شنيده مي شود دريافتم برخي از اين موسيقي ها يا در دولت قبل مجوز گرفته اند يا مجوز تقلبي دارند كه با آنها برخورد شده است.»

وزير ارشاد در نقدي كه به طور جدي در مورد مطبوعات در دولت قبل طرح كرد از كفر گويي ايشان در آن دوره سخن گفت. وي همچنين به موضوع لغو امتياز 8 نشريه در روزهاي آخر سال گذشته پرداخت و با بيان اينكه اين نشريات به سخيف نگاري مي پرداختند بازگشت آنها را ناممكن دانست و نتيجه برخورد با اين نشريات را سپاسگزاري تعداد زيادي از افراد متدين جامعه دانست و گفت؛ «بعضي هم دست به جمع كردن امضا زدند و همه جامعه هنري را پاي اين كار آوردند و چه با تقاضا و چه عتاب گفتند كه چرا تعطيل كرديد و هيات نظارت هم پاسخش اين بود كه طبق قانون عمل كرده است.» وي افزود؛ «در آخر سال گذشته 8 نشريه را هيات نظارت كه ما هم عضوش هستيم لغو مجوز كرد كه اين قاطع ترين نوع برخورد است كه قابل برگشت هم نيست، چرا كه در طول دو سال گذشته 20 بار تذكر داده شده بود كه استفاده از عكس زنان روي جلد و در صفحه ممنوع است.» صفارهرندي با اشاره به اينكه چرا آنها نمي گويند كه چرا روان جوانان ما با اين جور وقاحت نگاري ها آلوده مي شود، گفت؛ «ما سهميه كاغذ بيش از 70 نشريه را اوايل سال 86 قطع كرديم و از امكان خودمان در وزارتخانه استفاده كرديم.»

صفارهرندي در بخشي ديگر از سخنانش پيكان انتقادش را به سمت سياست هاي وزارت فرهنگ و ارشاد دولت اصلاحات در عرصه سينما متوجه كرد. وي در اين مورد گفت؛ «در دولت قبل موج فيلم هاي دختر و پسري راه افتاده و مضامين خانوادگي و اخلاقي از اين هنر دور شده بود كه بخشي از آن سلبي بود و بايد جلوي آن گرفته مي شد.» وي با بيان اينكه دولت نهم وارث فيلم هايي بود كه در جريان ساخت آن نبوده گفت كه اين دولت كوشيده با كنترل روي مجوزهاي ساخت و اكران به تدريج روي اين مساله مسلط شود. وي در ادامه گفت؛ «در جشنواره فيلم سال گذشته هيات داوران فيلم هاي مساله دار را به جشنواره راه نداد و فيلم هايي خوب و سالم چون «آواز گنجشك ها»، «فرزند خاك»، «به همين سادگي» و از اين دست به نمايش درآمد.» وي از جشنواره تئاتر اهواز به عنوان مصداقي براي حرف هايش در زمينه انحراف سياست هاي فرهنگي دولت قبل ياد كرد و گفت؛ «در جشنواره تئاتر در دوره قبل، هنرپيشه هاي خارجي مرد، چيزي نزديك به لخت و عريان بودند. يا در تئاتر اهواز زن ها با لباس بدن نما رقصيدند و از ديد مسوولان، آن حركت، حركتي آوانگارد و پيشرو عنوان شد. اما اگر در اين دوره كسي بخواهد به آن عرصه نزديك هم شود به تعبير حضرات با سانسور و مميزي روبه رو خواهد شد، چرا كه ما آن را خلاف قانون مي دانيم.» به گفته وزير فرهنگ و ارشاد اسلامي، در آن سينما انقلاب و ارزش ها مسخره شدند و حتي عقايد ديني را به تمسخر گرفتند اما هم اكنون موردي نيست مگر اينكه كساني كه مي بينند به خاطر چند لايه بودن مفاهيم متوجه نشده باشند كه البته وقتي فهميدند جلوي مجوز صادر شده را گرفتند و شما هم نمونه اش را ديديد. صفارهرندي افزود؛ «امروز كار به جايي رسيده كه اگر يك كتاب از زير دست بررسي در رفته است، سريع توي بازار مي رويم و هرچه از آن كتاب باشد جمع مي كنيم و خسارت نيز به مولف و ناشر پرداخت مي شود اما نمي گذاريم جامعه از قبل يك كتاب در معرض آسيب فرهنگي قرار بگيرد.» وي ادامه داد؛ «من ادعايي مي كنم و مي گويم اگر تدابير، اجرايي شود وضعيت فرهنگ رشد مطلق خواهد داشت. در آثار تجسمي در دوره يي نگاه مي كرديم و مي ديديم اثري خيلي وقيح است و تبديل به كتاب هم شده و چاپ شده است، اما وقتي جريان سالم سازي در دستور كارمان باشد ديگر چنين آثاري بيرون نمي آيد و وقاحت نگاري جاي خودش را به سلامت نگاري مي دهد.» صفار هرندي در بخشي ديگر از سخنانش با استناد به يك نظرسنجي كه با سوالاتي مشابه در دوره گذشته و حال انجام شده، نتيجه نظرسنجي را در دوره گذشته فاجعه بار توصيف كرد و در مقابل از پيشرفت مسائل فرهنگي در سال 86 گفت.</sup>

عكس دانش آموزان دختردبستان عصمتيه و شبانه اكابر احمديه تاسيس1302

سرعت گرانش

نوشته: حسين جوادي

همچنانكه مي دانيم در نسبيت، سرعت نور بالاترين سرعت هاست و هيچ چيز بالاتر از سرعت نور حركت نمي كند.

اين سرعت تقريباً c=3x10^8 m/s است. بنابراين در نسبيت سرعت گرانش برابر سرعت نور است. اما هنگاميكه اسپين يك الكترون تغيير مي كند، اسپين الكترون مشابه آن نيز فوري تغيير مي كند و چنين به نظر مي آيد كه اين تغييرات همزمان انجام مي شود.

اين نشان مي دهد كه انتقال اطلاعات دز اندازه هاي اتمي بالاتر از سرعت نور صورت مي گيرد. ما مي توانيم بپذيريم كه هيچ چيز بالتر از سرعت نور حركت نمي كند، اما انتقال اطلاعات از اين قانون طبعيت نمي كند. اما چنين ديدگاهي برخورد علمي با طبيعت نيست. اما چگونه مي توانيم اين پديده را توجيه كنيم؟ ما بايد بپذيريم كه انتقال اطلات بالاتر از سرعت نور انجام مي شود، اما اين پديده نيز از قوانين طبيعي طبعيت مي كند و بايد آنرا توجيه كرد آيا علامتي در فيزيك وجود دارد كه سريعتر از امواج الكترومغناطيسي حركت كند؟

مطمئاً چنين علامتي هست و آن گراويتون است.

گرانش

در نظريه سي. پي. اچ. ، گرانش يك جريان است. اين جريان دائمي بين تمام ذرات و اجسام وجود دارد. به عنوان مثال به زمين و ماه توجه كنيد.

زمين داراي ميدان گرانش است. يك ميدان گرانشي از تعداد متنابهي سي. پي. اچ. (گراويتون) تشكيل شده است. پس ميدان گرانشي زمين نيز از تعداد بيشماري سي. پي. اچ تشكيل شده است كه در اطراف زمين در حركت هستند.

فرض كنيم زمين منزوي است. يعني هيچ كنش و واكنشي بين زمين و ساير اجسام وجود ندارد. در اين صورت همه ي سي. پي. اچ. هايي كه به زمين مي رسند، جذب آن شده و از نيروهاي موجود در آنجا اطاعت مي كنند اما همچنان كه مي دانيم زمين منزوي نيست و با ساير احسام كنش متقابل دارد. نگاهي به زمين و ماه بيندازيد. در اينجا دو ميدان وجود دارد، يكي ميدان گرانشي زمين و ديگري ميدان گرانشي ماه هنگاميكه يك گراويتون به زمين مي رسد، گراويتون ديگري زمين را ترك مي كند و به دليل آنكه داراي يك زير كوانتوم گرانشي است، زمين را به دنبال خود مي كشد.

تا جاييكه زمين از حوزه عمل اين زير كوانتوم گرانشي خارج شود. مانند يك توپ كه جدار خارجي آن را با چسب مايع آغشته كرده باشيم. هنگاميكه مي خواهيم آن را از زمين جدا كنيم، زمين را به دنبال خود مي كشد.

اما سي. پي. اچ. چيست؟

تعريف سي. پي. اچ

فرض كنيم يك ذره با جرم ثابت m وجود دارد كه با مقدار سرعت ثابت Vc نسبت به تمام دستگاه هاي لخت حركت مي كند. و Vc>c, c is speed of light بنابراين سي. پي. اچ. داراي اندازه حركت خطي برابر mVc است.

اصل سي. پي. اچ

Principle of CPH

سي. پي. اچ. يك ذره بنيادي با جرم ثابت است كه با مقدار سرعت ثابت حركت مي كند. اين ذره داري لختي دوراني است. در هر واكنش بين اين ذره با ساير ذرات يا نيروها در مقدار سرعت آن تغييري داده نمي شود، بطوريكه حال با توجه به اصل سي. پي. اچ. و گراش از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. اجازه بدهيد نگاه جديدي به انتقال اطلاعات در ساختمان اتم بيندازيم.

دو الكترون الف و ب را در ساختمان فوتون در نظر بگيريد. اين دو الكترون مدام در حال تبادل سي. پي. اچ. هستند، مانند همه ي ذرات و اجسام موجود در جهان هنگاميكه يك گراويتون از الكترون الف به الكترون ب مي رسد، اسپين و جهت حركت آن تملم اطلاعات الكترون الف را به الكترون ب منتقل مي كند.

بنابراين اگر اسپين الكترون الف تغيير كرده باشد، الكترون ب، اين اطلاعات را از طريق گراويتون دريافت مي كند. حال ما مي توانيم سرعت گراويتون را حساب كنيم. فرض كنيد دو الكترون در فاصله d=1x10^-15 m كه برابر با قطر اتم است قرار دارند. يك گراويتون فاصله ي d را در كمترين زمان ممكن طي مي كند. اين كمترين زمان برابر است با زمان پلانك كه برابر است با T=5.39x10^-44 s. بنابراين سرعت گراويتون V از رابطه ي زير به دست مي آيد.

V=d/T=(10^-15m)/(5.39x10^-44s)=2x10^28 m/s اين مقدار تقريباً ده بتوان بيست برابر سرعت نور است:

يعني V=10^20c لطفاً توجه كنيد كه Vc>V زيرا گراويتون داراي اسپين است و Vc سرعت سي. پي. است زمانيكه داراي اسپين نيست.

نقدي بر پايان فيزيك نوشته هاوكينگ

نوشته : حسين جوادي

انصافاٌ هاوكينگ در توضيح مطالب پيچيده و بغرنج فيزيك به زبان ساده مهارت خاصي دارد. بهمين دليل آثار عمومي ايشان از استقبال چشم گيري برخوردار است. علاوه بر آن نام هاوكينگ به دليل در دو كار جالب در مورد سياه چاله ها جاودان خواهد شد. يكي تكينگي و ديگري تبخير سياه چاله ها. اين دو مورد زمينه ي يك بحث فراگير جهاني را بين فيزيكدانان فراهم كرد. هرچند به اعتراف خود هاوكينگ در كتاب تاريچه زمان از فيزيكدانان روسي الهام گرفته بود، اما اين هاوكينگ بود كه با محاسبات و معادلات رياضي توانست توجه فيزيكدانان را به آن جلب كند. اين نوشته نقدي است بر مقالات پايان فيزيك كه در سايت هوپا منتشر شد و مجموع آنها در اينجا و بطور يكجا فرهم شده است. در اين نوشته برخي نكات مهم نوشته هاوكينگ مورد بحث قرار مي گيرد.

هاوكينگ:

ذرات مادي رو كه همگي مي‌شناسيم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الكترون‌ها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم رو به‌نام كلي فرميون‌‌ها مي‌شناسيم. فرميون‌ها يك سيستم پيام‌رساني دارند كه بين آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌هاي معيني موجب ايجاد تاثير و در نتيجه تغييراتي در آن‌ها مي‌شود. اين سرويس‌ها را نيرو مي‌ناميم. ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميون‌ها و در برخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. اين ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخص بوزون ناميده مي‌شوند. پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون هست يا بوزون.

نظريه سي. پي. اچ. :

همه ي ذرات اعم از فرميونها و بوزونها از ذرات واحدي تشكيل شده اند كه آن سي. پي. اچ. يا CPH, Creation Particle Higgs مي ناميم. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر اثر دارند و اين اثر بصورت توليد اسپين براي آنها نمودار مي شود. سي. پي. اچ. ها پس از آنكه داراي اسپين شدند، با يكديگر ادغام شده و كوانتومهاي انرژي را به وجود مي آورند. اين كوانتومهاي انرژي در فراينهاي فيزيكي به زوج هاي ماده و پاد ماده تبديل مي شوند. در واقع بوزونها و فرميونها از ذرات واحدي تشكيل مي شوند كه سي. پي. اچ. ناميده مي شود. اگر ما ديدگاه خود را از مورد نيرو و انرژي تغيير دهيم و اين دو را هم ارز بدانيم (كه در حقيقت هم ارز هم هستند) آنگاه مي توانيم دليل تاثير بوزنها بر فرميونها و همچنين تاثير بوزونها را بر يكديگر توضيح دهيم.

هاوكينگ:

گفتيم كه سرويس‌هاي پيام‌رسان 4گانه نيرو ناميده مي‌شوند. يكي از اين نيروها گرانش هست. نيروي گرانش را كه ما را روي زمين نگه مي‌دارد، مي‌توانيم مثل پيامي در نظر بگيريم. حامل اين پيام نوعي بوزون هست كه گراويتون ناميده مي‌شود. گراويتون‌ها حامل پيامي بين ذرات اتم‌هاي بدن ما و ذرات اتم‌هاي زمين هستند و به ذرات مذكور مي‌گويند كه به‌هم نزديك شوند.

نظريه سي. پي. اچ. :

هنگاميكه سي. پي. اچ. داراي اسپين است، گراويتون ناميده مي شود.

هاوكينگ:

نظريه‌ها

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.

مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريه اصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصل هيچ‌گاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت (تندي و جهت حركت) يك ذره را با دقت بدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است.

يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.

اما اگر نيروي گرانش را مانند پيام بين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. قبلاْ ديديم كه شما مي‌توانيد نيرويي را كه شما را روي زمين نگه مي‌دارد، مثل تبادل گراويتون‌ها(همان پيام‌رسان‌هاي گرانش) بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره زمين را تشكيل مي‌دهند، در نظر بگيريد. در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود. اما چون همه گراويتونها بين خود نيز رد و بدل مي‌شوند، حل اين مساله از نظر رياضي بسيار بغرنج مي‌شود. بي‌نهايت‌هايي حاصل مي‌شوند كه خارج از مفهوم رياضي معنايي ندارند. نظريه‌هاي علم فيزيك واقعاْ نمي‌توانند با اين بي‌نهايت‌ها سر و كار داشته باشند. آن‌ها اگر در نظريه‌هاي ديگر يافت شوند، تئوريسين‌ها به روشي كه آن را ريترماليزيشن يا بازبهنجارش مي‌نامند، متوسل مي‌شوند. ريچارد فاينمن در اين باره مي‌گويد: اين كلمه هر چقدر زيركانه باشد، باز من آن را يك روش ديوانه‌وار مي‌نامم. خود او هنگامي كه روي نظريه‌اش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كار مي‌كرد، از اين روش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگري براي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك است ولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه با به‌كارگيري اين روش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.

استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روش موفق نبوده. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيروي الكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست. ابرگرانش كه هاوكينز در خطابه لوكاشين خود بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه در ا» اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

نظريه سي. پي. اچ. :

مشكل اصلي در فيزيك اين است كه تلاش مي كنند اين دو نظريه، يعني مكانيك كوانتوم و نسبيت را با يكديگر سازگار سازند. در حاليكه با توجه به اصل هم ارزي نيرو و انرژي نياز به تلاش زيادي نيست تا نسبيت و مكانيك كوانتوم با يكديگر سازگار شوند. در واقع بايستي مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم و نسبيت را همزمان و با توجه به اصول و قوانين شناخته شده ي علمي كه از نظر تجربي نيز تاييد شده مورد بررسي مجدد قرار داد. براي اينكار بايستي تعريف جديدي از انرژي ارائه داد و با توجه با اين تعريف ساختمان فوتون را تعريف كرد. با چنين نگرشي بينهايت هاي مشكل ساز بسادگي برطرف خواهند شد. بينهايت هاي موجود و مشكل ساز ناشي از نگرش موجود در مكانيك كوانتم به درات است كه ساختمان ذراتي نظير فوتون و الكترون را قابل بررسي نمي داند. ابرريسمانها نيز قادر به ارائه ي راه اساسي نخواهند بود. زيرا در نظريه ريسمانها، يك ريسمان يك واحد بسيار كوچك انرژي است. اما در اين نظريه هم نگرش نويني به انرژي ديده نمي شود. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. كار را با يك نگرش نوين و انقلابي از خود انرژي آغاز مي كند.

هاوكينگ:

راه ديگر

از طرف ديگر اگر ما مكانيك كوانتومي را براي مطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است، بكار گيريم، چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانش مي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟

همانطور كه گفتيم طبق اصل عدم قطعيت (Uncertainty principle) نمي‌توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ در ادامه خواهيم ديد كه استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به چه نتايج شگرفي دست يافته است.

سياهچاله‌ها سياه نيستند!

شرايط مرزي ممكن است به اين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد حالا كه از ضد و نقيض‌ها گفتيم، يكي ديگر هم اضافه كنيم:

فضاي خالي، خالي نيست

در ادامه خواهيم ديد كه چگونه مي‌توان به اين نتيجه رسيد. فعلا همينقدر بدانيم كه اصل عدم قطعيت بدان معني است كه فضا مملو از ذره و پادذره است!

نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد كـــه وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي يــا تاب‌خوردن فضا-زمان مي‌شود. يك نمونه خميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.

اين دو موضوع را به‌ياد داشته باشيم:

1- فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آن‌ها مقداري عظيم يا مقداري بي‌نهايت از انرژي است.

2- وجود اين انرژي باعث خميدگي فضا-زمان مي‌شود.

نظريه سي. پي. اچ. :

به جاي آنكه اصل عدم قطعيت را به نسبيت تعميم دهيم، بايد به اين نكته ي بسيار مهم توجه كنيم كه همه ي جهان از كوانتوم ها (انرژي، اتم، ذرات زير اتمي) تشكيل شده اند. بنابراين همان قوانيني را كه بر اين ذرات حاكم است مي توانيم به تمام جهان تعميم دهيم. در نظريه سي. پي. اچ. فضا از سي. پي. اچ. انباشته شده است. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر كار انجام مي دهند و كوانتوم هاي انرژي را توليد مي كنند. در مكانيك كوانوتم هيچ توضيحي وجود ندارد كه چرا فضا از فضا از ماده و پاد ماده انباشته شده است و تنها اصل عدم قطعيت مجوز آن را صادر كرده است. در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. ضمن توضيح كافي براي آن، دليل اينكه چرا در فضا ماده وجود دارد يا فضا به توليد ماده و پاد ماده مي پردازد ارائه مي شود.

همچنين در نسبيت عام با توجه به اصل هم ارزي فضا داراي انحنا است. در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. انحناي فضا كاملاً توجيه شهودي دارد. همين دلايل شهودي و ملموس نشان مي دهد كه فضا باايستي داراي انحنا باشد و ميزان انحناي فضا نيز تابع چگالي سي. پي. اچ. در فضا است.

هاوكينگ:

نسبيت عام و مكانيك كوانتومي هر دو نظريه‌هاي فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترين دستاوردهاي فيزيك در قرن گذشته هستند. از اين دو نظريه نه‌تنها براي هدف‌هاي نظري بلكه براي بسياري كاربردهاي عملي، به‌نحوي درخشان استفاده مي‌شود. با وجود اين اگر آن‌ها را با هم در نظر بگيريم، نتيجه همانطور كه ديديم بي‌نهايت‌ها و بي‌معني بودن است. نظريه همه چيز بايد به‌نحوي اين بي‌معنا بودن را حل كند.

نظريه سي. پي. اچ. :

نظريه همه چيز با گذشت سالهاي متمادي و كار مداوم فيزيكدانان روي آن هنوز نتوانسته اين مشكل را حل كند. زيرا همچنانكه گفته شد، بدون توجه به هم ارزي نيرو و انرژي اين مشكل قابل حل نخواهد بود.

ويژگيهاي برجسته نظريه سي. پي. اچ

در اين نظريه بر خلاف نظريه ريسمانها مي توان علت ثابت بودن سرعت نور و مسير منحي شكل نور را در ميدانهاي گرانشي توضيح داد.

در واقع:

نظريه سي. پي. اچ. هر سه نظريه ي مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتومي و نسبيت را پوشش مي دهد.

بسياري از پديدهاي فيزيكي كه نظرات قديمي و حتي نظريه ريسمانها قادر به توضيح انها نيستند، در نظريه سي. پي. اچ. بسادگي قابل توضيح دادن است.

منشاء زمان و شرايط پيدايش جهان قابل مشاهده (بينگ بنگ) توضيح داده مي شود.

در فيزيك تا به حال همواره از تاثير نيرو بر اجسام صحبت مي شود. نظريه سي. پي. اچ. اولين نظريه اي است كه از تاثير اجسام بر نيرو سخن مي گويد.

نظريه سي. پي. اچ. فيزيك را از حالت يك دانش پيچيده و خشك، به صورت يك دانش ساده و شهودي در آورده است.

از زمان مطرح شدن نظريه ريسمانها به دليل آنكه توان توضيح پديده ها را با همان ده بعدي كه در آغاز بيان كرده بود نداشت، دائم بر تعداد ابعاد آن افزوده مي شود و امروزه تلاش مي شود با بيست و شش بعد به توضيح جهان بپردازد. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. نيازي ندارد ابعاد اضافي را بكار گيرد.

در ساختار كلان حهان همان قانوني حاكم است كه در كوچكترين واحدهاي كميت هاي طبيعت حاكم است. يعني قوانين جهان ميكروسكپي را مي توان به جهان ماكروسكپي تعميم داد و اين كاري است كه نظريه سي. پي. اچ. انجام داده است.

اميد است نظريه ي سي. پي. اچ. بتواند در گسترش بحثهاي علمي در دانشگاه هاي كشور موثر واقع شود. گسترش بحث و تبادل نظر در زمينه هاي علمي مي تواند در نهادينه شدن گفتمان منطقي در جامعه مفيد باشد. به متن سخنراني در سمينار فيزيك مراجعه فرماييد.

فيزيک نظري مشكلات و راه حل ها

نوشته : حسين جوادي

روش استقرايي و ديفرانسيلي:

جهان بيني علمي در فيزيك نظري با كارهاي گاليله آغاز شد. هرچند كه تلاشهاي گاليله زيربناي فيزيك را تشكيل داد، اما اين تلاشها ريشه در نگرشهاي جديد به پديده هاي فيزيكي داشت كه مهمترين آنها را مي توان در آثار برونو و كپلر مشاهده كرد. برونو به طرز ماهرانه اي در آثار خود تشريح كرد كه همه ي ستارگان جهان نظير خورشيد هستند. كپلر با ارائه سه قانون خود نشان داد كه حركت سيارات قانونمند است و يك نظم منطقي در حركت، دوره تناوب و مسير آنها وجود دارد.

گاليله آزمايشهاي زيادي انجام داد تا بتواند حركت اجسام را در يكسري قوانين كلي خلاصه كند. در اين ميان آزمايش سطح شيبدار گاليله از همه مشهورتر است. اما نمي توان تاثير نگرش گاليله را در پيشرفت علم به اين آزمايشها خلاصه كرد. در حقيقت گاليله نوعي نگرش منطقي به پديده هاي فيزيكي داشت كه تا آن زمان بي سابقه بود. اين نگرش زيربناي روش استقرايي را در فيزيك تشكيل داد و بتدريج به ساير علوم گسترش يافت.

هرچند آزمايشهاي گاليله از نظر كمي و كيفي با آزمايشهاي امروزي قابل مقايسه نيست، اما آزمايشهاي بسيار پيچيده و پيشرفته امروزي نيز از همان قاعده ي نگرش استقرايي گاليله پيروي مي كنند. به اين ترتيب گاليله زير ساخت فيزيك را ايجاد كرد و نحوه ي برخورد علمي با طبيعت را نشان داد. اما نتيجه ي اين تلاشها به صورت تشريحي بيان مي شد.

سالها بعد نيوتن نتايج به دست آمده توسط گاليله را فرمول بندي و در قالب يكسري معادلات رياضي ارائه كرد و ساختار فيزيك كلاسيك را مدون ساخت. قانون جهاني گرانش نيوتن دست آورد بزرگي بود. نيوتن براي توجيه پديده هاي فيزيكي " نگرش ديفرانسيلي" را جايگزين روش انتگرالي كرد. در روش انتگرالي همواره نتايج مورد نظر است. در حاليكه در نگرش ديفرانسيلي تحليل روند رسيدن به نتايج مورد بحث قرار مي گيرد و جواب هاي خاص را مي توان از ان به دست اورد. به عنوان مثال قوانين كپلر را با قانون جهاني گرانش نيوتن مقايسه كنيد. در قوانين كپلر نمي توان دوره ي گردش يك سياره را از روي دوره ي گردش سياره ي ديگر استخراج كرد. علاوه بر آن هر سه قانون كپلر مستقل از هم هستند. در حاليكه در قانون نيوتن مي توان دوره گردش همه ي سيارات به دور خورشيد را به دست آورد.

بنابراين مي توان گفت گاليله روش استقرايي را به وجود آورد و نيوتن روش ديفرانسيلي را ابداع كرد. لذا تاثير تلاشهاي گاليله و نيوتن در پيشرفت علوم ممتاز و غير قابل انكار و در عين حال بي نظير است.

مشكلات قوانين نيوتن

هنگاميكه نيوتن قوانين حركت و قانون جهاني جاذبه را ارائه كرد، اين قوانين از نظر منطقي با اشكالات جدي همراه بود. قانون دوم نيوتن تا سرعتهاي نامتناهي را پيشگويي مي كرد كه با تجربه سازگار نيست. قانون دوم به صورت F=ma ارائه شده است كه طبق آن نيروي وارد شده به جسم مي تواند تا بي نهايت سرعت آن افزايش دهد. اين امر با مشاهدات تجربي قابل تطبيق نيست. مشكل بعدي كنش از راه دور بود. يعني اثر نيروي جاذبه با سرعت نامتناهي منتقل مي شد. تاثير از راه دور همواره مورد انتقاد قرار قرار داشت.

اما مهمترين مشكل قوانين نيوتن در قانون جهاني جاذبه وي بود و خود نيوتن نيز متوجه آن شده بود.

نيوتن دريافت كه بر اثر قانون جاذبه او، ستاركان بايد يكديگر را جذب كنند و بنابراين اصلاً به نظر نمي رسد كه ساكن باشند. نيوتن در سال 1692 طي نامه اي به ريچارد بنتلي نوشت "كه اكر تعداد ستارگان جهان بينهايت نباشد، و اين ستارگان در ناحيه اي از فضا پراكنده باشند، همگي به يكديگر برخورد خواهند كرد. اما اكر تعداد نامحدودي ستاره در فضاي بيكران به طور كمابش يكسان پراكنده باشند، نقطه مركزي در كار نخواهد بود تا همه بسوي آن كشيده شوند و بنابراين جهان در هم نخواهد ريخت."

اين برداشت نيز با يك اشكال اساسي مواجه شد. بنظر سيليجر طبق نظريه نيوتن تعداد خطوط نيرو كه از بينهايت آمده و به يك جسم مي رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اكر جهان نامتناهي باشد و همه ي اجسام با جسم مزبور در كنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بينهايت خواهد شد.

مشكل بعدي قانون جاذبه نيوتن اين است كه طبق اين قانون يك جسم به طور نامحدود مي تواند ساير اجسام را جذب كرده و رشد كند، يعني جرم يك جسم مي تواند تا بينهايت افزايش يابد. اين نيز با تجربه تطبيق نمي كند، زيرا وجود جسمي با جرم بينهايت مشاهده نشده است.

مشكل بعدي قوانين نيوتن در مورد دستكاه مرجع مطلق بود. همچنان كه مي دانيم حركت يك جسم نسبي است، وقتي سخن از جسم در حال حركت است، نخست بايد ديد نسبت به چه جسمي يا در واقع در كدام چارچوب در حركت است. دستگاه هاي مقايسه اي در فيزيك داراي اهميت بسياري هستند. قوانين نيوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. يعني در جهان يك چارچوب مرجع مطلق وجود داشت كه حركت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ي اجسام در اين چارچوب مطلق كه آن را "اتر" مي ناميدند در حركت بودند. يعني ناظر مي توانست از حركت نسبي دو جسم سخن صحبت كند يا مي توانست حركت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.

براين اساس مايكلسون تصميم داشت سرعت زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مايكلسون يك دستگاه تداخل سنج اختراع كرد و در سال 1880 تلاش كرد طي يك آزمايش سرعت مطلق زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتيجه آزمايش منفي بود. (براي بحث كامل در اين مورد به كتابهاي فيزيك بنيادي مراجعه كنيد.) با آنكه آزمايش بارها و بارها تكرار شد، اما نتيجه منفي بود. هرچند مايكلسون از اين آزمايش نتيجه ي مورد نظرش به دست نياورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جايزه نوبل شد.

نسبيت خاص

براي توجيه علت شكست آزمايش مايكلسون نظريه هاي بسياري ارائه شد تا سرانجام اينشتين در سال 1905 نسبيت خاص را مطرح كرد. نسبيت خاص شامل دو اصل زير است:

1 - قوانين فيزيك در تمام دستگاه هاي لخت يكسان است و هيچ دستگاه مرجع مطلقي در جهان وجود ندارد.

2 - سرعت نور در فضاي تهي و در تمام دستگاه هاي لخت ثابت است.

در نسبيت سرعت نور، حد سرعت ها است، يعني هيچ جسمي نمي تواند با سرعت نور حركت كند يا به آن برسد.

نتيجه اين بود كه قانون دوم نيوتن بايد تصحيح مي شد. طبق نسبيت جرم جسم تابع سرعت آن است، يعني با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد وهر جسمي كه بخواهد با سرعت نور حركت كند بايد داراي جرم بينهايت باشد. لذا قانون دوم نيوتن بصورت زير تصيح شد.

F=dp/dt=d(mv)/dt=vdm/dt+mdv/dt

m=m0/(1-v^2/c^2)^1/2

بنابر اين جرم تابع سرعت است و با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد. هنگاميكه سرعت جسم به سمت سرعت نور ميل كند، جرم به سمت بينهايت ميل خواهد كرد و عملاً هيچ نيرويي نمي تواند به آن شتاب دهد.

از طرف ديگر طبق نسبيت جرم و انرژي هم ارز هستند، يعني جرم جسم را مي توان بصورت محتواي انرژي آن مورد ارزيابي قرار داد. بنابراين انرژي داراي جرم است. اما در نسبيت نور از كوانتومهاي انرژي تشكيل مي شود كه آن را فوتون مي نامند و با سرعت نور حركت مي كند. اين سئوال مطرح شد كه اكر انرژي داراي جرم است و فوتون نيز حامل انرژي است كه با سرعت نور حركت مي كند، پس چرا جرم آن بينهايت نيست؟

پاسخ نسبيت به اين سئوال اين بود كه جرم حالت سكون فوتون صفر است. در حاليكه رابطه ي جرم نسبيتي در مورد جرم حالت سكون غير صفر بر قرار است. لذا در نسبيت با دو نوع ذرات سروكار داريم، ذراتي كه داراي جرم حالت سكون غير صفر هستند نظير الكترون وذراتي كه داراي جرم حالت سكون صفر هستند مانند فوتون. در نسبيت تنها ذراتي مي توانند با سرعت نور حركت كنند كه جرم حالت سكون آنها صفر باشد.

مشكل نسبيت خاص در اين است كه جرم نسبيتي آن (جرم بينهايت) مانند سرعت بينهايت در مكانيك كلاسيك با تجربه تطبيق نمي كند. يعني هيچ نمونه ي تجربي كه با جرم بينهايت نسبيت تطبيق كند وجود ندارد.

علاوه بر آن در نسبيت و حتي در مكانيك كوانتوم توضيحي وجود ندارد كه نحوه ي توليد فوتون را با سرعت نور توضيح بدهد. و چرا فوتون در حالت سكون يافت نمي شود. آيا فوتون از ذرات ديگري تشكيل شده است؟ اگر جواب منفي است اين سئوال مطرح مي شود كه فوتون هاي مختلف با يك ديگر چه اختلافي دارند؟ در حاليكه همه ي فوتون ها با انرژي متفاوت با سرعت نور حركت مي كنند. آزمايش نشان داده است كه فوتون در برخورد با ساير ذرات قسمتي از انرژي خود را از دست مي دهد. حال اين سئوال مطرح مي شود كه فرض كنيم فوتون شامل ذرات ديگري نيست، اين را بايد توضيح داد وقتي قسمتي از آن جدا مي شود و باز هم داراي همان خواص اوليه است ولي با انرژي كمتر؟ يعني فوتون قابل تقسيم است، هر ذره ي قابل تقسيمي بايد شامل زير ذره باشد.

واقعيت اين است كه فوتون در شرايط نور توليد مي شود و اجزاي تشكيل دهنده آن نيز بايستي با همان سرعت نور حركت كنند و حالت سكون فوتون يعني تجزيه ي آن به اجزاي تشكيل دهنده اش.

از طرفي مي دانيم جرم و انرژي هم ارز هستند، آيا اين منطقي است كه مي توان سرعت جرم را تغيير داد اما سرعت انرژي ثابت است؟

نسبيت عام:

نسبيت خاص داراي يك محدوديت اساسي بود. اين محدوديت ناشي از آن بود كه رويدادهاي فيزيكي را در دستگاه هاي لخت مورد بررسي قرار مي داد، در حاليكه در جهان واقعي دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند مي توان در بر رسي برخي رويداد ها به دستگاه هاي لخت بسنده كرد، اما اين دستگاه ها براي بررسي تمام رويدادها ناتوان هستند.

اينشتين در سال 1915 نسبيت عام را ارائه كرد و نسبيت خاص به عنوان حالت خاصي از نسبيت عام در آمد.

نسبيت عام بر اساس اصل هم ارزي تدوين شد.

اصل هم ارزي:

قوانين فيزيك در يك ميدان جاذبه يكنواخت و در يك دستگاه كه با شتاب ثابت حركت مي كند، يكسان هستند.

به عنوان: فرض كنيم يك دستگاه مقايسه اي با شتاب ثابت در حركت است. مشاهدات در اين دستگاه نظير مشاهدات در يك ميدان گرانشي يكنواخت است در صورتي كه شدت ميدان گرانشي برابر شتاب دستگاه باشد، يعني:

a=g

باشد، در اين صورت مشاهدات يكسان خواهد بود.

مهمترين دستاورد نسبيت عام توجيه مدار عطارد بود. بررسي هاي نجومي نشان داده بود كه نقطه حضيض عطارد جابه جا مي شود. بيش ار يكصد سال بود كه فيزيكدانان متوجه ان شده بودند، اما نمي توانستند با قوانين نيوتن توجيه كنند. اما نسبيت عام توانست أن را توجيه كند. بنا بر نسبيت، گرانش اثر هندسي جرم بر فضاي اطراف خود است. كه فضا-زمان ناميده مي شود. يعني جرم فضاي اطراف خود را خميده مي كند و مسير نور در اطراف آن خط مستقيم نيست، بلكه منحني است. در سال 1919 انحناي فضا را اهنگام كسوب كامل خورشيد با نوري كه از طرف ستاره ي مورد نظري به سوي زمين در حركت بود و از كنار خورشيد مي گذشت مورد تحقيق قرار دادند كه با پيشگويي نسبيت تطبيق مي كرد. اين موفقيت بسيار بزرگي براي نسبيت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسي و خواص توپولوژيك فضا بررسي واقعيت هاي فيز يكي را به حاشيه راند.

مضافاً اين كه گرانش را از فهرست نيروهاي اساسي طبيعت در فيزيك نظري حذف كرد. مشكلات اساسي نسبيت را مي توان به صورت زير فهرست كرد: 1- مشكل نسبيت با مكانيك كوانتوم- مكانيك كوانتوم ساختار ريز و كوانتومي كميت ها و واكنش متقابل آنها را مورد بررسي قرار مي دهد. به عبارت ديگر نگرش مكانيك كوانتوم بر مبناي كوانتومي شكل گرفته است. در اين زمينه تا جايي پيش رفته كه حتي اندازه حركت و برخي ديگر از كميتها را كوانتومي معرفي مي كند. اين نتايج بر مبناي يكسري شواهد تجربي مطرح شده و قابل پذيرش است. علاوه بر آن تلاشهاي زيادي انجام مي شود پديده هاي بزرگ جهان را با قوانين شناخته شده در مكانيك كوانتوم توجيه كنند. حال به نسبيت توجه كنيد كه فضا-زمان را پيوسته در نظر مي گيرد. بنابراين نسبيت با مكانيك كوانتوم ناسازگار است.

تلاشهاي زيادي انجام شده تا به طريقي يك همانگي منطقي و قابل قبول بين نسبيت و مكانيك كوانتوم ايحاد شود. در اين مورد كارهاي ديراك شايان توجه است كه مكانيك كوانتوم نسبيتي را پايه گذاري كرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبيت عام موفقيت چنداني نصيب فيزيكدانان نشده است. 2- پيچيدگي و عدم وجود تفاهم در نسبيت- پيچيدگي نسبيت موجب شده كه تفاهم منطقي بين فيزيكدانان در مورد نتايج و پيشگويي هاي نسبيت وجود نداشته باشد. به عبارت ديگر نسبيت شديداً قابل تفسير است. اين تفاسيرگاهي چنان متناقض هستند كه حتي فيزيكدان بزرگي نظير استفان هاوكينگ نظر خود را تغيير داد. البته اين براداشتهاي متفاوت از نسبيت ناشي از گذشت زمان نيست، بلكه از آغاز حتي براي خود اينشتين كه نسبيت را مطرح كرد وجود داشت. به عنوان مثال: اينشتين از سال 1917 شروع به تدوين يك نظريه قابل تعميم به عالم يرد.

وي با مشكلات حل نشدني رياضي برخورد كرد. به همين دليل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد كرد. ملاحظات وي در اين موضوع بر دو فرضيه مبتني بود. 1- ماده داراي چگالي متوسطي در فضاست كه در همه جا ثابت و مخالف صفر است. 2- بزرگي " شعاع " فضا به زمان بستگي ندارد. در سال 1922 فريدمان نشان داد كه اگر از فرضيه دوم چشم پوشي شود، مي توان فرضيه اول را حفظ كرد بي آنكه در معادلات به پارامتر عالم نيازي باشد. فريدمان بر اين اساس يك معادله ي ديفرانسيل به صورت زير ارائه كرد: (dR/dt)^2 - C/R+K=0 در واقع سالها قبل از كشف هابل در مورد انبساط فضا، فريدمان دقيقاً كشفيات او را پيش بيني كرده بود. معادله ي فريدمان معادله ي اصلي كيهان شناخت نيوتني است و بدون تغيير در نظريه نسبيت عام نيز صادق است.

اينشتين بر همه نتايج به دست آمده توسط فريدمان اعتراض كرد و مقاله اي نيز در اين باب انتشار داد. سپس حقايق را در فرضيه فريدمان ديد و با شجاعت كم نظيري طي نامه اي كه براي سردبير مجله آلماني فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف كرد. بيشتر مشيلات نسبيت ناشي از خواصي است كه به علت وجود ماده براي فضا قايل مي شوند. كه در آن هندسه جاي فيزيك را مي گيرد. زماني پوانكاره گفته بود كه اگر مشاهدات ما نشان دهد كه فضا نااقلبدسي است، فيزيكدانان مي توانند فضاي اقليدسي را قبول كرده و نيروهاي جديدي وارد نظريه هاي خود كنند. اما نسبيت چنين نكرد و ماهيت پديده هاي فيزيكي را به دست فراموشي سپرد. هرچند پديده هاي فيزيكي را بدون ابزار محاسباتي، اعم از جبري و هندسي نمي توان توجيه كرد، اما فيزيك نه هندسه است و نه جبر، فيزيك، فيزيك است وبس!!! 3- مشكل گرانش نيوتني در نسبيت همچنان باقي است- در نسبيت فضا-زمان داراي انحناست. هرچه ماده بيشتر و چگالتر باشد، انحناي فضا بيشتر است.

سئوال اين است كه اين انحناي فضا تا كجا مي انجامد؟ در نسبيت انحناي فضا مي تواند چنان تابيده شود كه حجم به صفر برسد. براي آنكه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد كه حجم به صفر برسد، بايد جرم به سمت بي نهايت ميل كند. يعني نسبيت نتوانست مشكل قانون گرانش را در مورد تراكم ماده در فضا حل كند، علاوه بر آن بر مشكل افزود. زيرا قانون نيوتن مي پذيرد كه ماده تا بي نهايت مي تواند متمركز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نيست. اما نسبيت علاوه بر آن كه مي پذيرد ماده مي تواند تا بي نهايت متراكم شود، پيشگويي مي كند كه حجم آن نيز به صفر مي رسد.

چه بايد كرد؟

1 - مشاهدات تجربي نشان مي دهد كه قانون جهاني گرانش نيوتن (يا حجم صفر نسبيت) بايد مجدداً مورد بررسي قرار گيرد.

2 - قانون دوم نيوتن نياز به برسي مجدد دارد، اما نه به گونه كه افزايش جرم (انرژي) را تا بي نهايت بپذيرد. جرم-انرژي بينهايت در نسبيت مانند سرعت بي نهايت در م كانيك نيوتني غير واقعي و با مشاهدات تجربي ناسازگار است.

3 - ساختار هندسي فضا تابع چگالي ماده است كه از نيروي گرانش آن ايجاد مي شود. به عبارت ديگر اين نيروي گرانش است كه ساختار هندسي فضا را شكل مي دهد، نه شكل هندسي فضا موجب ايجاد پديده اي مي شود كه ما آن را گرانش مي ناميم. در واقع گرانش نه تنها يك نيروي اساسي است، بلكه منشاء توليد انرژي است.

4 - در ساختار كلان حهان همان قانوني حاكم است كه در كوچكترين واحدهاي كميت هاي طبيعت حاكم است. يعني قوانين جهان ميكروسكپي را مي توان به جهان ماكروسپي تعميم داد.

نتيجه: مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم و نسبيت را بايد همزمان مورد بررسي مجدد قرار داد و اين كاري است كه:

Theory of CPH آن را انجام داده است.

نيروي الكتريكي موثر هسته و مدارهاي اتم

حسين جوادي

نيروي الكتريكي موثر هسته، عبارت از نيروي الكتريكي است كه يك الكترون را به طرف هسته مي كشد. مثال اتم هيدروژن داراي يك پروتون و يك الكترون است. فرض كنيم نيروي الكتريكي كه از طرف هسته بر الكترون وارد مي شود برابر يك واحد باشد. اتم هليوم داراي دو پروتون و الكترون است. اما نيرويي الكتريكي كه بر هريك از الكترونهاي اتم هليوم وارد مي شود، برابر دو واحد نيست و بيروي الكتريكي موثري كه بر هر الكترون در اتم هليوم وارد مي شود تقريباً برابر 1.7 واحد است.

قاعده ي استالر

Staler's Rule

براي نخستين بار استالر روش ساده اي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر وارد به هر الكترون را ارائه داد. بنابر روش استالر نيروي الكتريكي هسته كه بر هر الكترون وارد مي شود، به اندازه ي S كاهش مي يابد و نيروي موثر هسته از رابطه ي زير به دست مي آيد.

Z*=Z-S.

كه در آن Z* , Z, S. به ترتيب نيروي الكتريكي موثر هسته، عدد اتمي و مقدار استالر ، يعني مقداري كه از نيروي الكتريكي واقعي كاهش مي يابد.

با توجه به روش استالر نخست بايد توجه كرد كه الكترون در كداميك از مدارات اصلي يا فرعي كه بصوررت زير داده مي شود، قرار دارد:

(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5f)...

در اين روش الكترونهاي سمت راست روي نيروي الكتريكي هسته كه بر يك الكترون وارد مي شود، تاثيري ندارند فرض كنيم مي خواهيم نيروي الكتريكي موثر بر الكتروني را كه در مدار n قرار دارد حساب كنيم در هر گروه، هر الكترون به اندازه ي 0.35 واحد از مقدار نيروي الكتريكي كه از طرف هسته اعمال مي شود، مي كاهند.

الكترونهاي گروه (s,p) n-1 به اندازه 0.85 واحد مي كاهند. الكترونهاي گروه n-2 به اندازه 1 واحد مي كاهند .

مثال: در اتم Sc كه شامل 21 پروتون است داريم:

S(4s) = 1 x (.35) + 9 x .85 + 10 x 1.0 = 18

So, Z*=21-18=3.

Example 2: As from a 3d perspective (Its nuclear has 33 protons);

S(3d)=20.3 and Z*=33-20.3=12.7

روش كلمنتي و رايموندي

Clementi and Raimondi

كلمنتي و رايموندي كار خود را روي نيروي الكتريكي موثر هسته در سال 1960 شروع كردند. در اين زمان اطلاعات زيادي در زمينه مدارات و مولكولها جمع آوري شده بود و كامپپوتر نيز اختراع شده بود كه در محاسبات بسيار مفيد بود. ايشان با استفاده از تابع موج روي اتمهاي مختلف از هيدروژن تا كريپتون كار كردند و يك روش رياضي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر هسته ارائه دادند. نتايج اين روش دقيق تر از روش استالر بود :

در روش كلمنتي

Atom : Sc,4s

Staler : Z*=3

Clementi : Z*=4.632



Atom : Sc,3d

Staler : Z*=12.7.

Clementi : Z*=17.378

توجه

قاعده ي استالر و روش كلمنتي بر مبناي آزمايش استوار است و و هيچگونه توضيح نظري ندارد كه چرا بايستي نيروي الكتريكي هسته براي رسيدن به الكترون در اتمهايي كه بيش از يك الكترون دارند، كاهش يابد.

اجازه بدهيد اين پديده را از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بررسي كنيم. آيا نيرو تباه مي شود؟ اگر نيرو تباه نمي شود، پس چرا نيروي موثر هسته از يك مدار به مدار ديگر كاهش مي يابد؟ براي مقدار نيرويي كه كاهش مي يابد، چه اتفاقي مي افتد؟ آيا نيرو تبديل پذير است؟ نيرو به چه چيزي تبديل مي شود؟ هنگاميكه يك الكترون به طرف پروتون شتاب مي گيرد، انرژي الكترون افزايش مي يابد. سئوال اين است كه براي مقدار نيروي موجود در ميدان چه اتفاقي مي افتد؟

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. نيرو و انرژي به يكديگر قابل تبديل هستند. اجازه بدهيد كاهش نيروي الكتريكي هسته را با استفاده از تبديل نيرو و انرژي به يكديگر توضيح دهيم.

كار كوانتومي است

در مورد قضيه كار انرژي W=DE برخوردي دوگانه وجود دارد. قسمت كار آن را با مكانيك كلاسيك مد نظر قرار مي دهند و كار را كميتي پيوسته در نظر مي گيرند، در حاليكه با انرژي آن برخوردي كوانتومي دارند. در واقع بايستي هر دو طرف رابطه را با ديد كوانتومي در نظر گرفت. در اين مورد مثالهاي زيادي مي توان ارائه داد كه با اين برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. هنگاميكه يك فوتون در ميدان گرانشي سقوط مي كند، انرژي آن افزايش مي يابد. همچنانكه مي دانيم انرژي فوتون كوانتومي است، لذا كار انجام شده روي آن نيز بايد كوانتومي باشد. يك كوانتوم كار را بصورت زير تعريف مي كنيم:

Wq=FgLp

كه در آن Wq, Fg, Lp از چپ براست به ترتيب كوانتوم كار، كوانتوم نيروي گرانش و طول پلانك است. و در حالت كلي مقدار كار از رابطه ي زير به دست مي آيد :

W=nWq, n is an integer number. (n=...-2, -1, 0, 1, 2...)

با اين تعريف نيروي الكتريكي موثر هسته را بررسي مي كنيم.

نيروي الكتريكي موثر هسته

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. هنگاميكه نيرو روي يك ذره/جسم كار انجام مي دهد، اگر كار متبت باشد، نيرو به انرژي تبديل مي شود و اگر كار منفي باشد، در اين صورت انرژي به نيرو تبديل مي شود.

فرض كنيم يك اتم با تعداد Z پروتون و نيدوي الكتريكي هسته Fz و نيروي الكتريكي موثر Fz* را روي يك الكترون اعمال مي كند. در طي زمانيكه نيروي الكتريكي مي خواهد به الكترون مورد نظر برسد، روي ساير الكترونهايي كه در مسير يا اطراف آن وجود دارند، كار انجام مي دهد. بنابراين مقدار Fw به انرژي تبديل مي شود، يعني E=W و به اندازه Fw از مقدار Fz كاسته خواهد شد و داريم Fz*=Fz - Fw با توجه به مدار بندي زير:

(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5f)...

و در نظر گرفتن شكل، نيروي الكتريكي هسته براي رسيدن به الكترون مورد نظر، روي الكترونهاي سمت راست مدار بندي، هيچگونه كاري انجام نميدهد.

مغناطيس گرانشي

Gravitomagnetisem

فضا پيماي Gravity Probe B or GPB بيستم آوريل 2004 زمين را براي جستجوي نيرويي از طبيعت كه در وجودش ترديد است، ترك كرده است. اين نيرو كه هيچ وقت ثابت نشده مغناطيس گرانشي يا Gravitomagnetisem ناميده مي شود.

مغناطيس گرانشي بوسيله ستاره ها يا سياره هايي كه به دور خود مي چرخند توليد مي شود. كلير فرد ويل از دانشگاه واشنگتن مي گويد " از نظر شكل شبيه يك ميدان مغناطيسي است كه توسط يك كره (توپ) باردار در حال چرخش توليد مي شود" بار را با جرم جايگزين كنيد مي شود مغناطيس گرانشي ما در حالي كه زندگي مي كنيم، مغناطيس گرانشي را احساس نمي كنيم. اما بر طبق نظريه عام اينشتين اين حقيقت دارد وقتي كه يك ستاره يا سياه چاله يا هر چيزي كه جرم زيادي دارد به دور خود مي پيچد فضا و زمان اطراف را به دور خود مي كشد.

عملي به نام كشش چارچوب

Frame dragging

ساختار فضا - زمان مثل يك گرداب پيچيده مي شود. انيشتين به ما مي گويد تمام نيروهاي گرانشي هم ارز با خم شدن (پيچيده شدن) فضا-زمان است كه مغناطيس گرانشي است.

مغناطيس گرانشي چه كار مي كند؟

ويل مي گويد " مي تواند مدار اقمار را منحرف كند و باعث شود كه ژيروسكوپ قرار داده شده در زمين بلرزد. هر دو پديده خيلي كوچك هستند و اندازه گيري آن سخت است. محققان تحت رهبري اگنا كيوفليني Ignazio ciufolini فيزيكدان سعي مي كنند انحراف مسير اقماري را كه مغناطيس گرانشي آن را ايجاد مي كن آشكار كنند. براي مطالعه اين دو پديده (پديده هاي مورد بحث ويل) آنها از ماهواره هاي ليزري ژئوديناميكي Lagoes استفاده كردند.

دو كره با قطر 60 سانتيمتر كه آينه هايي روي آنها كار گذاشته شده است. دسته بندي ليزرهاي دقيق از هر دو نوع مدارهايشان را نشان مي دهد.

اما يك مشكل وجود دارد: تحدب ناحيه استوايي باعث انحرافي بيليون ها بار بزرگتر از مغناطيس گرانشي زمين مي شود. آيا كيوفوليني براي يافتن مغناطيس گرانشي اين كشش بزرگ را با دقت كافي كم مي كند؟ ويل مي گويد دانشمندان زيادي نتايج كيوفوليني را پذيرفتند در حالي كه ديگران شك دارند.

GPB كه توسط دانشگاه استنفورد و ناسا توسعه داده شده، آزمايش را به گونه ديگري و با استفاده از ژيروسكوپ انجام داده است. فضا پيما زمين را در مدار قطبي به ارتفاع 400 مايل دور مي زند. چهار ژيروسكوپ وجود دارد كه هركدام يك كره يا يك گوي به قطر 1.5 اينچ است كه در خلا معلق اند و ده هزار بار در دقيقه مي چرخند. اگر معادلات انيشتين درست باشد و مغناطيس گرانشي واقعي باشد، ژيروسكوپ هاي در حال چرخش بايد هنگامي كه زمين را دور مي زنند بلرزند. كم كم محور دورانشان جا بجا مي شود، تا يك سال ديگر محور دورا ژيروسكوش ها در حدود 42 mili-arc second از جايي كه آنها شروع كردند دور مي شوند. GPB مي تواند اين زاويه را با دقت 0.5 mili-arc second يا حدود يك درصد اندازه بگيرد. هرچند زاويه اندازه گيري شده mili-arc second خيلي جوچك است، اين را در نظر بگيريد كه يك arc second برابر با يك درجه است. يك mili-arc second هزار بار از arc second كوچكتر است. مقدار 0.5 mili-arc second انحراف مورد انتظار در GPB هم ارز با اين است كه بخواهيم ضخامت يك ورق كاغذ را از فاصله ضد مايلي اندازه گيري كنيم. حس كردن اين مقدار به اين كوچكي چالش بزرگي است.

دانشمنداني كه روي GPB كار مي كردند بايد تكنوژي هاي جديدي كاملي را براي آن اختراع مي كردند.

فيزيكدانان هم نگران و هم هيجان زده هستند. نگران براي اين كه شايد مغناطيس گرانشي آنجا نباشد. نظريه انيشتين مي تواند غلط باشد ( احتمالي كه اكثراً دوستش ندارند) و اين باعث تحولي در فيزيك خواهد بود. و به همين دليل آنها هيجان زده نيز هستند. هر كسي خواستار اين است كه در پيشرفت بزرگ بعدي علم مقدم باشد، و پيش دستي كند.

نزديك زمين مغناطيس گرانشي ضعيف است به خاطر همين است كه ژيروسكوپ هاي GPB فقط 42 mili-arc second تكان مي خورند.

اما در جاهايي از عالم اين ميدان قوي است. براي مثال در نزديكي يك سيه چاله يا يك ستاره نوتروني. يك ستاره نوتروني نوعي جرمي در حدود خورشيد دارد اما قطر آن 10 كيلمتر است و چند هزار بار سريع تر از زمين به دور خودش مي چرخد. بنابراين مغناطيس گرانشي در آنجا خيلي قوي خواهد بود.

اخترشناسان احتمالاً آثار مغناطيس گرانشي را قبلاً مشاهده كرده اند. بعضي سياه چاله ها و ستاره هاي نوتروني جت هاي روشني از ماده و با سرعتي نزديك نور به بيرون دارند. اين جت ها در صورتي كه از قطب هاي يك شئي چرخنده نشات بگيرند جفتي و مختلف الجهت هستند.

نظريه پردازان تصور مي كنند جت ها توسط مغناطيس گرانشي قدرت مي گيرند. بعلاوه سياه چاله ها بوسيله ديسكي از ماده به نام accretion disk دارند و به قدري داغ است كه تابش اشعه X طيف الكترومغناطيسي ساتع مي كند. شواهدي وجود دارد كه توسط تلسكوپ هاي اشعه ايكس نظير Nasa's chandra X ray obsevatiry جمع شده و مي گويد اين ديسك ها مي لرزند. ژيروسكوپ هاي GPB هم انتظار همين را مي كشند.

اينجا در منظومه شمسي ما، مغناطيس گرانشي در بهترين حالت مي توان گفت كه ضعيف است. سئوالي پيش مي آيد: بعد از آنكه مغناطيس گرانشي را پيدا كرديم چه كنيم؟

سئوالي شبيه اين بارها در قرن 19 پرسيده شده بود. وقتي كه ماكسول، فارادي و ديگران الكترومغناطيس را بررسي مي كردند. چه استفاده اي دارد؟ امروز ما توسط فوايد تحقيقات آنها محاصره شده ايم: چراغ، كامپيوتر، ماشين لباسشويي، اينترنت و غيره

مغناطيس گرانشي براي چه خوب است؟ آيا اين فقط رخداد مهمي در راه طولاني جستجوي طبيعي ما براي فهم طبيعت است؟ يا چيزي غير قابل تصود: زمان خواهد گذشت.

منبع :

VACUUM فصلنامه علمي فرهنگي دانشجويان فيزيك امير كبير

اندازه اتم با انبساط جهان افزايش مي يابد

Atom's size increases by Expanding of Universe

حسين جوادي

مشاهدات كيهاني هابل نشان مي دهد كه جهان نسبت به زمان منبسط مي شود. در اين مورد رابطه ي هابل نشان مي دهد كه سرعت كهكشانها به فاصله انها نسبت به ناظر بستگي دارد كه به صورت زير ارائه شده است :

u(t)=k(t)x(t)

كه در آن u(t) سرعت k(t) ثابت هابل x(t) فاصله بين ناظر و كهكشان است و همگي تابع زمان هستند .

رابطه هابل يك مفهوم سئوال بر انگيز است و سئوال اين است كه آيا انيساط جهان تاثيري روي اندازه اتمها دارد؟

به عبارت ديگر فرض كنيم فاصله زمين از دو كهكشان الف و ب، به صورت زير باشد :

d1 and d2 and d1>d2

آيا اندازه اتمها در دو كهكشان الف و ب نسبت به زمين يكسان است؟

اجازه دهيد يك نگاه جديد به جهان بيندازيم :

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. انبساط جهان روي همه ي اجسام موجود در جهان اثر دارد و اندازه كهكشانها و ستارگان و اتمها با انبساط جهان افزايش مي يابد. همچنين هنگاميكه اندازه اتمها افزايش مي يابد، طول موج تابشي توسط اتمها به سمت سرخ جابجا مي شود .

در ادامه مي خواهم اين پديده را توضيح دهم : با توجه به نسبيت عام اينشتين، بيگ بنگ از انفجار يك توده يگانه (يا گاز بسيار داغ و عجيب ) با فشار نامحدود، چگالي نامحدود با انحناي نامحدود فضا زمان ايجاد شده است. اين شرايطي كه نسبيت براي زمان قبل از بيگ بنگ ترسيم مي كند، قابل پذيرش نيست .

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. بيگ بنگ بر اثر انفجار يك سياه چاله مطلق ايجاد شده كه آن سياه چاله نيز از نيروي محظ تشكيل شده بود و در انجا انرژي و جرم وجود نداشت.

فرض كنيم بيگ بنگ در لحظه صفر و حجم جهان در آن لحظه به صورت زير بود :

t=0. volume=V

نخست ذرات نيرو روي يكديگر كار انجام داده و انرژي توليد مي كنند. انرژي به ذرات زير اتمي تبديل شده و آنگاه اتمها شكل مي گيرند.

سپس حجم جهان شروع به افزايش مي كند. با افزايش حجم جهان، چگالي جهان كاهش مي يابد و با توجه به قوانين شناخته شده فيزيك بر اثر كاهش چگالي جهان فاصله بين اجرام افزايش يافته و كنش نيروها كه تابع فاصله هستند نيز كاهش مي يابد .

فرض كنيد اتم الف در فاصله د از مركز مركز انفجار باشد در آن صورت حجم اتم تابع حجم جهان است و مي توان نوشت :

V(atom)=k V(universe), that V(univerese) is volume of universe of center of explosion to atom's situation.

اما حجم جهان به زمان بستگي دارد يعني :

V(uninverse)=V(t)

So, V(atom)=kV(t)

با توجه به نسبيت در جهان هيچ دستگاه مرجع مطلقي وجود ندارد، بنابراين هر ناظري خود را در مركز انفجار مشاهده خواهد كرد.

فرض كنيم يك ناظر بر سطح زمين ايستاده و مشاهده مي كند جهان در حال انبساط است و سرعت فرار اجسام تابع فاصله است كه توسط رابطه هابل مشخص مي شود :

u(t)=k(t)x(t)

اما ناظر چگونه سرعت فرار كهكشانها را اندازه مي گيرد؟ اين ناظر چگونه متوجه شتاب كهكشان مي شود؟

تنها بر اثر جابجايي به سمت سرخ گرانش. اما جابجايي به سمت سرخ گرانش تابع سرعت كهكشان و حجم اتمهاي موجود در آن است.

كهكشان بتدريج دور مي شود و فاصله آن با ناظر افزايش مي يابد. بنابراين حجم كهكشان و حجم اتمهاي موجود در آن افزايش مي يابد و اين نيز نشان مي دهد كه كهكشان داراي شتاب است.

بنابراين براي توجيه درست انبساط جهان بايد يك پارامتر در رابطه هابل منظور گردد كه مربوط به افزايش حجم اتها است. زيرا رابطه هابل با فرض ثابت بودن حجم اتمها ارائه شده است .

بعضي اجسام (مانند كوسارها) با سرعتي نزديك به سرعت نور يا فراتر از آن در حال فرار هستند. زيرا هنگاميكه فاصله بين ناظر و و جسم افزايش مي يابد، حجم اتمها نيز افزايش مي يابد و امواج الكترومغناطيسي كه از فضا مي يايد، بيشتر به طرف سرخ جابجا مي شود و در نتيجه سرعت نسبي آن با ناظر افزايش مي يابد تا جاييكه ديگر مشاهده نمي شود و وارد جهان غير قابل مشاهده خواهد شد.

كرمچاله ها ، تونل هاي فضازماني

مهدي اسحاقي

يك سال بعد از ارائه نظريه نسبيت عام توسط آلبرت اينشتين ،سال 1916م فلام متوجه شد كه ازحل شوارتزشيلد معادلات اينشتين ميتوا ن جواب كرمچاله اي بدست آورد . اين نوع كرمچاله ،«كرمچاله شوارتزشيلد » ناميده شد .

كرمچاله ها ساختارهاي فضازماني پل مانندي هستند كه دو ناحيه مجزا از يك فضا زمان يا دوفضا زمان مجزا را به يكديگر وصل مي كنند . كرمچاله ها باعث كوتاه شدن مسافت و زمان لازم براي رسيدن از يك نقطه به نقطه ديگر مي شوند .در دهه 1930م اينشتين و روزن با استفاده از غوطه وركردن متريك شوارتزشيلد در فضاي استوانه اي ، معادله غوطه وري يك كرمچاله گذر ناپذير وغير ايستا موسوم به « پل اينشتين - روزن » را بدست آوردند .

يكي از جنبه هاي جالب كرمچاله ها ، استفاده از آنها براي انجام سفر در فضازمان است . مي دانيم كه فاصله زمين تا نزديك ترين ستاره غير از خورشيد ، حدود 4سال نوري مي باشد . يعني نور با سرعت 300 هزار كيلومتر بر ثانيه حدود 4 سال طول مي كشد تا به اين ستاره برسد . حال ما با تكنولوژي امروزه ممكن است بيش از يك ميليون و سيصد هزار سال طول زمان نياز داشته باشيم تا به اين ستاره برويم كه براي انسان امر غير ممكني است . بنظر مي رسدكه با فرض وجود كرمچاله ، مي توان از يك طرف وارد آن شد و تقريبا بلافاصله پس از خروج از طرف ديگر ، در ناحيه اي دوردست از جهان سردرآورد . در اين طرح امكان سردرآوردن از جهاني ديگر نيز وجود دارد .

بعضي افراد به اشتباه سياهچاله ها را به عنوان ابزارهايي براي مسافرت هاي فضايي مي شناسند . اما بايد بدانيم كه سياهچاله ها داراي افق هستند و وقتي جسمي ، حتي نور ، وارد آنها شد ، علاوه بر نابودي ، امكان خروج برايش وجود ندارد . امم برخي از كرمچاله ها اين امكان را به ما مي دهند كه بدون صدمه ديدن از آنها عبور كنيم .

در اين مقاله ضمن آشنايي با اين ساختارها ، امكان عبور از آنها را نيز بررسي مي كنيم .

هندسه يك كرمچاله :

يك كرمچاله در صورت وجود ، خود بخشي از فضازمان چهار بعدي عالم مي باشد . همانطور كه مي دانيد اينشتين در سال 1905 م ثابت كرد كه جهان تنها از سه بعد فضايي تشكيل نشده و زمان صرفآ يك پارامتر در حال تغيير نيست . بلكه زمان خود نيز به عنوان بعد چهارم عالم به حساب مي آيد . در اين فضازمان چهار بعدي ، كرمچاله ها مي توانند سوراخي به جهاني ديگر يا ناحيه اي ديگر از همين جهان باشند . پس بايد در نظر داشته باشيم كه اين اجسام چهاربعدي هستند و ما تنها براي ساده سازي آنها را به صورت دو بعدي نشان مي دهيم .

به عنوان مثالي ساده ، يك صفحه كاغذ تخت را در نظر بگيريد كه از چهار طرف تا فواصل بسيار دور گسترده شده باشد . هر دو طرف صفحه كه آنها را « رو » و « زير » صفحه مي ناميم ، بطور مستقل يك فضاي دوبعدي راتشكيل مي دهند كه مي توانيم آن را يك جهان دوبعدي فرض كنيم . ساكنان اين جهانها خود موجودات دو بعدي هستند . واضح است كه اين دو جهان هيچ ارتباطي با هم ندارند و ساكنان آنها از وجود همديگر بي خبرند .اكنون تصور كنيد يك سوراخ دايره اي در اين صفحه ايجاد شود . به اين ترتيب دو جهان بطور پيوسته با هم ارتباط دارند . ما اين حفره تونل مانند را يك كرمچاله مي ناميم .

حال بيائيد به جاي يك سوراخ ، دو سوراخ درصفحه ايجاد كنيم . سپس لبه هاي اين دو سوراخ را بكشيم تا به صورت دو لوله درآيد وبا ادامه دادن اين كار دو لوله را به هم وصل كنيم. اين نيز يك كرمچاله است . با اين تفاوت كه بر خلاف حالت قبلي دو ناحيه از يك جهان را به هم وصل مي كند . در حالتي كه فضاي ما خميده باشد مسافرت از طريق اين كرمچاله بسيار سريع تر امكان پذير است . چون مسافت كوتاهتر است .

اگردر هر يك از دو ورق تخت موازي نيز يك سوراخ ايجادكنيم ، با كشيدن لبه هاي سوراخ و رساندن دو لوله ايجاد شده به هم مي توانيم يك كرمچاله ايجاد كنيم كه صفحه بالايي يكي از ورق ها را به صفحه پائيني ورق ديگر وصل كند . تا اينجا تا حدودي با هندسه كرمچاله آشنا شديم . در مقاله بعدي با ساختار يك كرمچاله آشنا خواهيم شد .

نيروهاي اساسي و امواج گرانشي

حسين جوادي

مقدمه

گرانش يكي از چهار نيروي اساسي طبيعت است كه ماهيت عمل آن نظير ساير نيروها است، با اين تفاوت كه بسيار ضعيف تر از آنها است.

براي توضيح امواج گرانشي ناگزير بايد ساير نيروها را مورد دقت و بررسي قرار داد و با توجه به نحوه ي عملكرد آنها به توضيح عملكرد گرانش پرداخت. بنابراين در اين نوشته نيز اين نكته رعايت شده است تا درك امواج گرانشي را با تجارب و واقعيتهاي شهودي همراه سازد. بر اين اساس توجه به نظريه ي ذرات تبادلي براي شناخت و توضيح امواج گرانشي ضروري است.

نيرو

از نظر لغوي نيرو مفاهيم مختلفي دارد و در هيچ فرهنگي كلمه ي نيرو به صورتي جامع تعريف نشده است. شايد اين امر به آن دليل باشد كه نيرو تعريف پذير نيست.

اگر به آنچه كه معمولاً نيرو ناميده مي شود، دقت كنيم، از كثرت آن دچار شگفتي خواهيم شد. اين كثرت نيروها نبايد ما را به بيراهه بكشد. يكي از ويژگيهاي علم آن است كه كثرت را وحدت بخشد و در عين حال از وحدت بتواند موارد خاص و مختلف را نتيجه بگيرد. ما در اينجا به نيروهايي مي پردازيم كه در فيزيك به عنوان نيروهاي اساسي شناخته مي شوند و از اصطلاح برهم كنش براي آنها استفاده مي شود و ساير نيروهايي كه با آنها سروكار داريم ناشي از نيروهاي اساسي طبيعت است.

در طبيعت چهار نيروي اساسي شناخته شده كه عبارتند از :

گرانش

نخستين نيرويي كه به طور جدي مورد توجه قرار گرفت گرانش است. طبق قانون جهاني گرانش كه نيوتن كاشف آن است، هرگاه دو جسم در فاصله اي از يكديگر قرار گيرند، نيرويي برهم وارد مي كنند كه با حاصلضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد. اين نيرو خاصيت ذاتي ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فيزيكي، شيميايي و محيطي همواره اعمال مي گردد. برد اين نيرو بينهايت است. دوباره به آن بر مي گرديم.

نيروي الكترومغناطيسي

دو جسم كه داراي بار الكتريكي باشند بر يكديگر نيرو وارد مي كنند. كولن تحت تاثير قانون جهاني گرانش نيوتن مقدار نيرويي را كه اجسام باردار بر يكديگر وارد مي كنند به طور رياضي بيان كرد كه طبق آن اين مقدار با حاصلضرب بارها متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد. كولن پس از ارائه قانون الكتريكي خود، در صدد تهيه قانوني براي نيروي مغناطيسي برآمد. كولن براي نيروي مغناطيسي فرمولي مشابه با نيروي الكتريكي به دست آورد كه مورد توجه فيزيكدانان واقع نشد. اما پس از كشف ارتباط متقابل ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي، مشخص شد كه اين دو ميدان مستقل از هم نيستند كه آن را نيروي الكترومغناطيسي مي نامند. برد اين نيرو نيز بينهايت است.

نيروي پر قدرت كوارك

نيروي قوي هسته اي كه نيروي رنگ نيز ناميده مي شود از جدا شدن بيش از حد كواركهاي هسته از يكديگر و يا حتي از پرت شدن آنها به خارج جلوگيري مي كند. نيروي پر قدرت كوارك يا نيروق قوي از طريق ذرات مبادله كننده يا به اصطلاح گلوئون ها انتقال مي يابدكه بين كواركها در پرواز هستند اين نيرو مانند چسب پيوستگي بين كواركها را تضمين ميكند. نيروي هسته اي كه پروتونها و نوترونها را در هسته اتم به هم پيوسته نگاه مي دارد در واقع نيروي بنيادي نيست بلكه نيرويي است كه از نيروي رنگ كواركها(يعني قويترين نيرويي كه به آن اشاره شد) به دست مي آيد. برد اين نيرو بسيار كوتاه است و در خارج از ساختمان اتم بي اثر است.

نيروي ضعيف

بسياري از ذرات نسبت به هيچ يك از دو نيروي ياد شده در بالا يعني نيروي قوي كوارك و نيروي الكترو مغناطيسي واكنش نشان نمي دهند از آن ميان ذراتي هستند كه فاقد بار الكتريكي و رنگ هستند براي اين گونه ذرات يك نيروي بنيادي ديگر وجود دارد كه در فاصله هاي خيلي خيلي كم كارگر است.

يكسان سازي نيروها

بسياري از فيزيكدانان ازجمله فارادي و پلانك اعتقاد داشتند نيروهاي گرانشي و الكترومغناطيسي تشابه بسيار زيادي به يكديگر دارند و احتمالاً رابطه ي مشابهي نظير آنچه كه بين نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي وجود دارد، بين گرانش و نيروي الكترومغناطيسي وجود دارد. آلبرت اينشتين نيز تلاش بسيار كرد كه اين دو نيرو را در يك نيروي اوليه خلاصه كند. اما موفق نشد. البته در زمان اينشتين نيروهاي مهم و مطرح همين دو نيروي گرانشي و الكترومغناطيسي بود.

امروز فيزيكدانها موفق شده اند نشان دهنده كه در درجه حرارتها و انرژيهاي بسيار بالا تفاوت بين نيروي الكتروو مغناطيسي و نيروي ضعيف از بين مي رود و امكان دارد كه در در جه حرارتها و انرژي ذره اي خيلي بالاتر تفاوت بين نيروي قوي و نيروي ضعيف و همچنين تفاوت بين "لپتونها " و "كواراكها " نيز از بين برود به گونه اي كه فقط يك ذره اوليه و يك نيروي اوليه وجود داشته باشد.

چنين روابطي را حتي با بزرگترين شتابدهنده ها نيز نمي توان برقراركرد ولي "فرضيه وحدت نيروها " احتمالاَ مي توانسته مدت بسيار كوتاهي پس از "انفجار اوليه " وجود داشته باشد يعني زماني كه هنوز تمام كيهان به صورت يك گو ي آتشين فوق فشرده و داراي بار انرژي عظيمي بوده است.

در قلمرو كوچكترين ها هنوز مطالب قابل پژوهش زيادي وجود دارد . مثلا فيزيكدانهاي قرن 21 مي توانند اين پرسش را مطرح كنند كه آيا كواركها و الكترونها هم از ذرات كوچكتري ساخته شده اند؟

ذرات تبادلي

نخستين گام براي توجيه نيروهاي هسته اي قوي در سال 1932 توسط هايزنبرگ برداشته شد. وي نظر داد كه پروتونها به وسيله ي نيروهاي تبادلي در كنار يكديگر قرار مي گيرند. به اين ترتيب مي توان تصور كرد كه دو ذره، به تبادل ذره ي سوم مي پردازند و ذره ي تبادلي دو ذره را به سوي هم مي راند. طبق نظريه هايزنبرگ، همه ي نيروهاي جاذبه و دافعه نتيجه ي ذرات تبادلي هستند. به شكلهاي پائين صفحه مراجعه كنيد.

در مورد جاذبه و دافعه ي الكترومغناطيسي، ذره ي تبادلي فوتون است. لازم به ذكر است كه فيزيكدانان به وجود دو نوع فوتون اعتقاد دارند، يكي فوتونهاي حقيقي كه قابل مشاهده هستند و ديگري فوتونهاي مجازي است كه نمي توان آنها را مشاهده كرد. فوتون مجازي نيز با سرعت نور حركت مي كند. فوتونهاي مجازي نتيجه ي اصل عدم قطعيت هستند.

در شكل زير نمودار فضا-زمان ذرات تبادلي بين دو الكترون (1) كه اثر آن دافعه است و يك الكترون و يك پروتون (2) كه اثر آن جاذبه است، نشان داده شده است:

شكل 1

در شكل بالا الكتروني در راس A يك فوتون مجازي توليد كرده و مي فرستد و الكترون دوم آنرا در راس B در مي آشامد. انرژي و اندازه حركت هر يك از الكترون هاي واكنش كننده در اثر تبادل فوتون تغيير مي كند. غير قابل مشاهده بودن فوتون مجازي امكان عدم بقاي انرژي و اندازه حركت را در طول بازه ي زماني بين گسيل و در آشاميدن فوتون فراهم مي كند. اصل عدم قطعيت انرژي فرض شده را كه توسط آن بقاي انرژي نقض مي شود به مقدار زير محدود مي كند:

dE=h/dt

كه در آن dt برابر است با بازه ي زماني بين گسيل و در آشاميدن فوتون مجازي است.

امواج گرانشي

نظريه ي نسبيت عام كه گرانش را به منزله ي انحناي فضا-زمان چهار بعدي مطرح مي كند، انواعي از پديده هاي غير عادي را پيش بيني مي كند. بنابر نسبيت عام هر جسمي كه جرم داشته باشد موجب مي گردد كه فضاي اطراف آن خميده شود. هر زمان كه اين جسم حركت كند، اين انحنا با صورت بندي جديد ماده متناسب مي گردد. اين تنظيم فضا-زمان با وضعيت متغيير مكاني ماده موجب مي شود كه امواج گرانشي با سرعت نور در فضا منتشر شود. در نتيجه هر جسم متحركي از خود تشعشعات گرانشي منتشر مي كند.

امواج گرانشي نسبت به ساير نيروها فوق العاده ضعيف است. براي مشاهده ي ضعيف بودن امواج گرانشي نسبت به امواج الكترومغناطيسي كافيست قانون گرانش و قانون كلون را براي دو الكترون بكار بريد. خواهيد ديد كه امواج الكترومغناطيسي تقريباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشي قوي تر است.

وقتي امواج الكترومغناطيسي به ماده برخورد مي كنند، فقط ذرات باردار را تكان مي دهند. ولي امواج گرانشي موجب مي شوند كه تمام ذرات ماده تحت تاثير قرار گيرند. همچنين به دليل آنكه امواج الكترومغناطيسي بسيار قوي تر از امواج گرانشي است (تقريباً ده بتوان چهل بار) هنگام عبور امواج به همين نسبت نيز ذراتي كه در مسير آنها هستند تحت تاثير قرار مي گيرند.

در دهه ي 1960 ژوزف وبر از دانشگاه مريلند ترتيبي داد تا امواج گرانشي را آشكار سازد. آنتني كه وبر براي آشكار ساختن امواج گرانشي ساخت استوانه اي آلومينيمي بود به قطر 60 سانتيمتر و طول 1.5 متر كه وزن آن بيش از يك تن بود. اين استوانه توسط سيمي كه در وسط آن آن به دور استوانه پيچيده شده بود در يك محفظه ي خلا به طور معلق قرار داشت. همچنين اين محفظه به وسيله سيستمي از كمك فنرها از جهان خارج جدا شده بود. وقتي يك موج گرانشي از درون استوانه عبور مي كرد فشارهايي به وجود مي آورد. وبر براي آشكار كردن نوسانات حاصل، تعدادي كريستال پيزوالكتريك بر روي سطح استوانه نصب كرد. اين كريستالها نوسانات را به جريانهاي الكتريكي ضعيفي مبدل مي كنند. سپس اين جريانها تقويت و ثبت مي شوند. يك چنين استوانه ي آلومينيمي به دليل وجود تاثيرات گرمايي همواره در حال نوسان خواهد بود. براي غلبه بر اين مشكل صافيهايي الكترونيكي در سيستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثناي بزرگترين آنها حذف كند. علاوه بر اين وبر دو عدد از اين آنتنها را يكي در دانشگاه مريلند در نزديكي واشنگتن و ديگري را در آزمايشگاه ملي ارگون خارج از شيكاگو نصب كرد. اين دو آنتن بوسيله خطوط تلفن به نحوي به هم وصل بودند كه نوسانات بزرگ آني كه در هر دو ايستگاه رخ مي داد، به سرعت ثبت مي كردند.

در سال 1969 وبر با اعلام اين خبر كه امواج گرانشي را به طور موفقيت آميزي آشكار كرده فيزيكدانان را متحير كرد. هر روزه حداقل يك نوسان بزرگ ثبت مي شد و نشان مي داد كه يك موج گرانشي به زمين برخورد مي كند. با اين وجود بسياري از دانشمندان نسبت به درستي نتايج آزمايش وبر مشكوك هستند. هرچند كه هيچ كس نتوانسته نشان دهد كه كدام قسمت از نتايج آزمايش وبر نادرست است.

اشكالات امواج گرانشي در نسبيت عام

همچنانكه مي دانيم در نسبيت عام گرانش اثر هندسي ماده بر فضاي اطرافش است و آنرا فضا-زمان مي نامند كه كميتي پيوسته است. با حركت جسم ميزان انحناي فضا نيز تغيير مي كند. اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كميتي پيوسته است آنگاه با مكانيك كوانتوم ناسازگار خواهد بود. يعني از چهار نيروي اساسي سه تاي آنها كوانتومي و يكي پيوسته است. اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كوانتومي است كه در اين صورت فضا-زمان با امواج گرانشي كه نسبيت خود باني است ناسازگار خواهد بود. تنها راه حل ممكن اين است كه فضا-زمان نيز كوانتومي باشد و اين همان چيزي است كه نظريه ي سي. پي. اچ. بر آن تاكيد دارد. در نظريه سي. پي. اچ. گرانش كوانتومي است.

نظريه سي. پي. اچ. و امواج گرانشي

در نظريه سي. پي. اچ. امواج گرانشي همواره در اطراف اجسام وجود دارد و اين امواج ناشي از تبادل سي. پي. اچ. بين اجسام است. با توجه به هم ارزي نيرو و انرژي كه نظريه سي. پي. اچ. مطرح كرده براي تبادل ذرات بين اجسام كه نيروي گرانش را حمل مي كنند نيازي به نقض قانون بقاي انرژي نيز نمي باشيم.

براي توضح بيشتر در اين مورد نخست سي. پي. اچ. را تعريف كرده و گرانش را از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بيان و آنگاه دو باره به اين بحث خواهم پرداخت.

در نظريه سي. پي. اچ. نيرو و انرژي قابل تبديل به يكديگر هستند. همچنين با توجه به نسبيت كه در آن جرم و انرژي هم ارزند، بنابر اين، نيرو، انرژي و جرم هم ارز مي باشند. و مي توان نتيجه گرفت كه نيرو، انرژي و جرم سه جلوه (ظاهر) متفاوت از يك ذره واحد و بنيادي هستد و ما بايد تصورات خود را در مورد نيرو، انرژي و جرم تغيير دهيم.

تعريف CPH

فرض كنيم يك ذره با جرم ثابت m وجود دارد كه با مقدار سرعت ثابت Vc نسبت به تمام دستگاه هاي لخت حركت مي كند (شكل 2). و Vc>c, c is speed of light بنابراين سي. پي. اچ. داراي اندازه حركت خطي برابر mVc است.

2 شكل

اصل CPH

Principle of CPH سي. پي. اچ. يك ذره بنيادي با جرم ثابت است كه با مقدار سرعت ثابت حركت مي كند. اين ذره داراي لختي دوراني است. در هر واكنش بين اين ذره با ساير ذرات يا نيروها در مقدار سرعت آن تغييري داده نمي شود، بطوريكه:

gradVc=0 in all inertial frames and any space

CPH is a particle with constant mass m and moves with constant speed Vc

تشريح Explain

با توجه به شكل 2 اين ذره داراي اندازه حركت P=mVc .است همچنين داراي لختي دوراني I است. Momentum of Inertia I

هنگاميكه نيروي خارجي بر آن اعمال شود، قسمتي از سرعت انتقالي آن به سرعت دوراني (يا بالعكس ) تبديل مي شود، بطوريكه در مقدار Vc تغييري داده نمي شود. يعني اندازه حركت خطي آن به اندازه حركت دوراني و بالعكس تبديل مي شود. بنابراين مجموع انرژي انتقالي و انرژي دوراني آن نيز همواره ثابت است. تنها انرژي انتقالي آن به انرژي دوراني و بالعكس تبديل مي شود.

هنگاميكه سي. پي. اچ. داراي حركت دوراني حول محوري كه از مركز جرم آن مي گذرد است، يعني زمانيكه سي. پي. اچ. داراي Spin است، آن را گراويتون مي ناميم. شكل 3

شكل 3

هنگاميكه گراويتون روي يك ذره/جسم كار انجام مي دهد، گراويتون ناپديد شده و به انرژي جسم تبديل مي شود. زيرا اين امر قابل توجيه نيست كه نيرو توليد انرژي كند و هيچ تغييري در آن ايجاد نشود تمام تلاشها براي پيدا كردن يك نيروي اساسي واحد در طبيعت به اين دليل بي نتيجه بوده است كه فيزيكدانان هيچ توجهي به تغييرات نيرو نداشته اند. در حقيقت نيرو و انرژي قابل تبديل به يكديگرند. يعني نيرو به انرژي تبديل مي شود و انرژي نيز به نيرو تبديل مي شود.

همچنين يك گراويتون روي گراويتون ديگر كار انحام مي دهد، اما نتيحه ي اين كار تغيير انرژي جنبشي به انرژي دوراني است . شكل 4

هنگاميكه گراويتون ها در كنار يكديگر قرار مي گيرند (ادغام مي شوند) همان جلوه اي را از خود بروز مي دهند كه ما آن را انرژي مي ناميم.

شكل4 نشان مي دهد كه دو گراويتون در فاصله r , يكديگر را حس كرده و جذب مي كنند. اما چون مقدار سرعت آنها ثابت است، حركت انتقالي آنها به حركت دوراني Spin تبديل مي شود.

شكل 4

يك فوتون از تعدادي گراويتون تشكيل مي شود كه داراي Spin هستند . شكل5.

شكل 5

همچنين فوتون داراي اسپين است. بنابراين هنگاميكه فوتون با سرعت نور حركت مي كند، گرايتون هايي كه فوتون را تشكيل داده اند داراي حركتهاي زير مي باشند.

حركت انتقالي برابر سرعت نور، زيرا فوتون با سرعت نور منتقل مي شود و اجزاي تشكيل دهنده آن نيز الزاماً با همين سرعت منتقل مي شوند

حركت دوراني (اسپين)، زيرا طبق اصل سي. پي. اچ. مقدار سرعت سي. پي. اچ. بيشتر از سرعت نور است و هنگاميه سي. پي. اچ. ها با يكديگر ادغام مي شوند و ساير ذرات را تشكيل مي دهند، مقداري از سرعت انتقالي آنها به اسپين تبديل مي شود.

و حركت ناشي از اسپين فوتون، زيرا گراويتون ها در ساختمان فوتون هستند و از حركت اسپيني فوتون سهم مي برند. شكل 5

نظريه سي. پي. اچ. براي اولين بار هم ارزي نيرو و انرژي را مطرح كرده است. اين نظريه با مطرح كردن يك اصل ساده و بنيادي به توجيه پديده ها مي پردازد.

gradVc=0 in all inertial frames and any space

اين نظريه يك زير بناي كاري بسيار ساده را براي توجيه پديده ها تشكيل مي دهد. طبق اين نظريه تمام ذرات بنيادي،نيروهاي اساسي، انرژي و جرم (ماده و پاد ماده) از ذره ي واحدي تشيل مي شوند.

CPH نيروي گرانش محض است.

در حقيقت CPH يك زير كوانتوم هستي در طبيعت است.

گرانش Gravity

در نظريه سي. پي. اچ. ، گرانش يك جريان است. اين جريان دائمي بين تمام ذرات و اجسام وجود دارد. به عنوان مثال به زمين و ماه توجه كنيد. زمين داراي ميدان گرانشي است. يك ميدان گرانشي از تعداد متنابهي سي. پي. اچ. (گراويتون) تشكيل شده است. پس ميدان گرانشي زمين نيز از تعداد بيشماري سي. پي. اچ تشكيل شده است كه در اطراف زمين در حركت هستند.

فرض كنيم زمين منزوي است. يعني هيچ كنش و واكنشي بين زمين و ساير اجسام وجود ندارد. در اين صورت همه ي سي. پي. اچ. هايي كه به زمين مي رسند، جذب آن شده و از نيروهاي موجود در آنجا اطاعت مي كنند اما همچنان كه مي دانيم زمين منزوي نيست و با ساير احسام كنش متقابل دارد نگاهي به زمين و ماه بيندازيد. در اينجا دو ميدان وجود دارد، يكي ميدان گرانشي زمين و ديگري ميدان گرانشي ماه. هنگاميكه يك گراويتون به زمين مي رسد، گراويتون ديگري زمين را ترك مي كند و به دليل آنكه داراي يك زير كوانتوم گرانشي است، زمين را به دنبال خود مي كشد.

تا جاييكه زمين از حوزه عمل اين زير كوانتوم گرانشي خارج شود. مانند يك توپ كه جدار خارجي آن را با چسب مايع آغشته كرده باشيم. هنگاميه مي خواهيم آن را از زمين جدا كنيم، زمين را به دنبال خود مي كشد شكل 6

شكل 6

امواج گرانشي از سي. پي. اچ. ها تشكيل مي شود.

همچنانكه در بالا بيان شد، ميدان گرانشي در اطراف اجسام به اين دليل وجود دارد كه اجسام همواره با يكديگر در حال تبادل سي. پي. اچ. هستند. در شكل 7 يك گراويتون از جسم 1 به جسم 2 مي رسد و جسم 2 با ارسال يگ گراويتون به طرف 1 واكنش نشان مي دهد. جسم 1 نيز به محض دريافت گراويتون از جسم 2 با ارسال گراويتون ديگري به طرف جسم 2 تغيير مسير مي دهد.

شكل 7

حال 3 جسم را در نظر بگيريد كه چگونه با تبادل گراويتون در ارتباط با يكديگر هستند. شكل 8

شكل 8

فضا توسط CPH خميده مي شود

همچنانكه مي دانيم فركانس فوتون در ميدان گرانشي تغيير مي كند. هنگاميكه گرانش روي فوتون كار انجام مي دهد، انرژي و فركانس فوتون افزايش مي يابد. در صورتيكه كار منفي باشد، انرژي و فرانس فوتون كاهش مي يابد. هنگام جابجايي به سمت سرخ گرانش كار منفي است. و هنگام جابجايي به سوي آبي كار مثبت است. هنگاميكه فوتون در حال فرار از ميدان گرانشي است، جابجايي به سمت سرخ است و هنگام سقوط در ميدان گرانشي، جابجايي به سمت آبي است. اگر نور در فضايي عبور كند كه در آنجا ميدان گرانشي وجود نداشته باشد، مسير آن خط مستقيم است.

حال فرض كنيد نور از ميدان گرانشي يك جسم چگال عبور مي كند، گرانش روي آن كار انجام مي دهد. اگر فاصله بين فوتون و جسم كم شود، نور به سمت آبي جابجا مي شود و هنگاميكه فاصله افزايش مي يابد، جابجايي به سمت سرخ است. شكل 8

در شكل 9 نشان داده شده كه ناظر داخل و خارج مسير نور را چگونه مي بينند.

شكل 9

تغيير انحناي فضا و تبادل سي. پي . اچ

همچنانكه در بالا بيان شد، فضاي اطراف اجسام داراي انحنا است و اين انحنا به دليل وجود سي. پي. اچ. است.

بنابراين ميزان انحناي فضا به چگالي سي. پي. اچ. در فضا بستگي دارد. با حركت جسم، چگالي سي. پي. اچ. در فضا تغيير مي كند و فضا انحناي جديد خود را با سي. پي. اچ. هاي موجود در هر لحظه تنظيم مي كند. بنابراين فضا-زمان كميتي كوانتومي است كه به اين ترتيب ناسازگاري فضا-زمان با مكانيك كوانتوم بر طرف خواهد شد.

حال به اين موضوع توجه كنيد كه گراويتون هايي كه از ماه يا خورشيد يا ساير اجسام به زمين مي رسند، در هر لحظه به تعداد زيادي وارد مي شوند و فشار زيادي به زمين وارد مي كنند و موجب انقباض زمين مي شوند.

زمين نيز به همان ميزان گراويتون متصاعد مي كند و بدين ترتيب منبسط مي شود. در واقع زمين و ساير اجسام مانند يك كره ي نواسانگر عمل مي كند و دائماً در حال ارتعاش هستند. اين نوسانات موجب توليد و انتشار امواج گرانشي در فضا مي شود.

منابع

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html

كواركها نوشته هارالد فربج ترجمه جهانشاه ميرزا بيگي انتشارات علمي و فرهنگي

مرزهاي فيزيك - ستاره شناسي نوشته فرد هويل و جايانت نارليكار ترجمه بهزاد قهرمان انتشارات آستان قدس رضوي

نظريه هاي علمي- رد يا تعميم نوشته حسين جوادي انتشارات اتا

نسبيت و مفهوم نسبيت نوشته آلبرت اينشتين ترجمه محمدرضا خواجه پور انتشارات خوارزمي

اختر فيزيك نسبيتي نوشته رومن سگسل و هانه لوره سگسل ترجمه رضا منصوري انتشارات مركز نشر دانشگاهي

نسبيت و كيهان شناسي نوشته ويليام جي-كافمن ترجمه تقي عدالتي و بهزاد قهرمان انتشارات مركز نشر دانشگاهي

تاريخچه زمان نوشته استيون هاوكينگ ترجمه محمد رضا محجوب انتشارات شركت سهامي انتشار

فيزيك كوانتومي نوشته رابرت آيزبرگ و رابرت رزنيك ترجمه ناصر نفري انتشارات مركز نشر دانشگاهي

Charlese Dull H. Clark Metcalfe-Johne. Williams Modern Physics

Gerald Hoton Concepts and Theories in Physics Science

Subrahman and Brij Lal Principles of Physics

Genaral Theory of Physics C. W. Kilmister

http://www.hupaa.com

http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/qg_ss.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_geometry

http://en.wikipedia.org/wiki/Loop_quantum_gravity

http://cfa-www.harvard.edu/~jcohn/lens.html

تابش جسم سياه

هر جسم جامدي كسر يعني از تابش فرودي بر سطح خود را درمي‌آشامد، بقيه اين تابش بازتاب مي‌يابد. يك جسم سياه ايده‌آل به صورت ماده‌اي كه تمامي تابش فرودي را ، بدون هيچ بازتابس درمي‌آشامد، تعريف مي‌شود.

از ديدگاه نظريه كوانتومي ، جسم سياه عبارت است از ماده‌اي كه تعداد بيشماري تراز انرژي كوانتيده (در گستره وسيعي از اختلاف انرژيها) است. بطوري كه هر نوتروني كه با بسامدي بر آن فرود آيد در آشاميده مي‌شود. از آنجا كه انرژي درآشاميده بوسيله يك ماده دماي آن را افزايش مي‌دهد، اگر هيچ انرژي گسيل نشود، يك درآشام كامل يا جسم سياه ، گسيل كننده كامل نيز هست.

اطلاعات اوليه

تمام اجسام در دماي متناهي ، امواج الكترومغناطيسي تابش مي‌‌كنند. طيفهاي تابشي ناشي از گازهاي اتمي ، كه در آنها اتمها بسيار از هم دور و فقط بطور ضعيف به هم بر هم كنش مي‌كنند، شامل فركانس‌ها يا طول موجهاي گسسته هستند. طيف مولكولها، كه علاوه بر گذارهاي الكتروني ، با سمعهاي ناشي از گذارها دوراني و ارتعاشي همراه هستند، نيز شامل خطوط گسسته‌اند.

يك جسم جامد ، از لحاظ تابش يا درآشامي از اين هم پيچيده‌تر است، و از بعضي لحاظ مي‌توان آن را به عنوان يك مولكول بسيار بزرگ كه تعداد درجات آزادي آن متناظر افزايش يافته است، در نظر گرفت. تابش گسيل شده توسط جامد ، با تابش تمام فركانس‌ها يا طول موج‌ها، شامل يك طيف پيوسته است. بر اين اساس به صورت ايده‌آل ماده‌اي تعريف مي‌شود كه مي‌تواند تمام فركانس‌هاي طيف الكترومغناطيسي را جذب كند. همين جسم اگر چنانچه گرم شود، بايد بتواند تمام فركانس‌هاي طيف الكترومغناطيسي را تابش كند.

جسم سياه تقريبي

كاواكي كه حفره بسيار كوچكي در روي آن تعبيه شده است، تقريب بسيار خوبي از جسم سياه است. هر تابشي مه بر اين حفره بتابد، از طريق آن وارد كاواك مي‌شود و احتمال بسيار كمي وجود دارد كه بلافاصله مجددا باز تابيده شود. در عوض بازتابش، اين تابش يا درآشاميده مي‌شود يا بطور مكرر در ديواره‌هاي داخلي جسم سياه بازتاب مي‌يابد. در نتيجه عملا تمامي تابش كه از طريق اين حفره وارد كاواك مي‌شود، در اين ظرف درآشاميده مي‌شود.

حال اگر كاواك مورد نظر را تا دماي مفروض T حرارت دهيم، ديواره‌هاي دروني آن، با آهنگ يكسان فوتونها را گسيل مي‌كنند و درمي‌آشامند. تحت اين شرايط مي‌توان گفت كه تابش الكترومغناطيسي با ديواره‌هاي داخلي در تعادل گرمايي است. كيرشهف نشان داد كه طبق قانون دوم ترموديناميك تابش داخل كاواك در هر طول موجي بايد همسانگرد (يعني ، شار تابشي مستقل از راستا باشد)، همگن (شار تابشي در تمام نقاط فضا يكسان باشد) بوده و نيز در تمام كاواك‌هايي كه دمايشان برابر است يكسان باشد.

خواص عمومي تابش جسم سياه

· انرژي كه در بازه كوچك فركانسي dv

· بين فركانس‌هاي v

· و v+dv

· گسيل مي‌شود، در دماي ثابت نخست با فركانس افزايش پيدا مي‌كند، سپس به يك تعداد ماكزيمم مي‌رسد، و سرانجام در فركانس‌هاي باز هم بالاتر كاهش مي‌يابد.

· انرژي تابشي به ازاي هر فركانس با دما افزايش پيدا مي‌كند، در نتيجه ، انرژي كل تابشي ، با دما افزايش مي‌يابد. قبل از پيدايش نظريه پلانك در مورد جسم سياه ، معلوم شد كه انرژي تابشي با توان چهارم دما تغيير مي‌كند، كه اين بيان به قانون استيفان بولتزمن معروف است.

· با افزايش دماي جسم تابش كننده كسر بيشتري از تابش گسيل شده توسط مولفه‌هاي فركانس بالاتر حمل مي‌شود.

· طيف تابش جسم سياه مستقل از ماده‌اي است كه تابش كننده از آن ساخته شده است.

توجيه خواص جسم سياه با استفاده از نظريه كلاسيك

تمام كوششها براي به دست آوردن منحني‌هاي مشاهده شده تجربي در مورد تابش جسم سياه ، با شكست مواجه شد. از جمله اين كوشش‌ها مي‌توان به قانون وين استفاده كرد. وي با استفاده از مدلي كه جز براي تاريخ دانها، براي ديگران جالب نبود، شكل خاصي را براي انرژي تابشي يا گسيل شده بر حسب دما ارائه داد. قانون وين با وجود اين كه با مفاهيم كلي فيزيك كلاسيك سازگاري نداشت، توانست در فركانس‌هاي بالا نتايج تجربي را به خوبي تفسير كند. اما در فركانس‌هاي پايين با مشكل مواجه مي‌شد.

كار ديگري كه در اين زمينه انجام شد، قانون ريلي - جينز بود. ريلي قانون خود را از دو نتيجه كلاسيكي قانون تقسيم مساوي انرژي و محاسبه تعداد مدهاي تابش الكترومغناطيسي محبوس در داخل كاواك بدست آورد. قانون ريلي - جينز نيز در فركانس بالا كه در آن فرمول وين صادق است با نتايج تجربي وفق نمي‌دهد اما در فركانس‌هاي پايين مي‌توانست منحني‌ها را توجيه كند. بطور كلي ريلي – جينز نمي‌تواند درست باشد، چون اين قانون چگالي انرژي كل را بينهايت پيشگويي مي‌كند.

توجيه موافق با آزمايش تابش جسم سياه

در سال 1900 ماكس پلانك با تلفيق ماهرانه قوانين وين در فركانس‌هاي بالا و ريلي - جينز در فركانس‌هاي پايين ، رابطه‌اي را ارائه داد كه مي‌توانست در تمام فركانس‌ها با نتايج تجربي در توافق باشد. حسن رابطه پلانك در اين است كه هرگاه فركانس به سمت صفر ميل كند، اين قانون به قانون ريلي - جينز تبديل مي‌شود. همچنين در صورتي كه فركانس بزرگتر باشد، قانون وين نتيجه مي‌شود.

سياهچاله مطلق

حسين جوادي

اطلاعات در مورد مهبانگ و درون سياه چاله ها

Information about Big Bang and Inside of Black Hole

با توجه به نظريه بيگ بنگ، جهان در 14 بيليون سال پيش از يك توده فوق العاده داغ و چگال آغاز شده است. پس از آن جهان به طور مداوم شروع به گسترش كرده و در حال سرد شدن است. و تمام جهان سرشار از نورهاي ساطع شده از مهبانگ است. نوري كه اكنون به ما مي رسد، حدود 14 بيليون سال در راه بوده است. بنابراين به ما اين امكان را مي دهد كه ازدل زمان عبور كرده و نگاهي به گذشته بيندازيم و دوران ابتدايي عالم را ببينيم:

نگاهي به اطلاعات و ارقام مي تواند كمك كند تا پرده از برخي اسرار جهان بر داريم:

عمر جهان

Age of universe

Universe is 13.7 billion years old

T=13.7x10^12 years =4.3x10^20 s

شعاع جهان

Radius of universe

R=1.6x10^26 m

حجم جهان

Volume of universe

V=4/3 pi R^3

V=17.1x10^78m^3

چگالي جهان

Density of universe

D=10^-18 kg/m^3

جرم جهان

Mass of universe

M=(density)x(volume), so;

M=DV=10^-18x17.1x10^78=17.1x10^60 kg

و هنگاميه جهان در هم فرو خواهد ريخت

And when universe collapses

براي يك لحظه شتاب جهان و انبساط جهان را فراموش كنيد. حالا فرض كنيد جهان در حال فرو ريختن در خود است. چه اتفاقي خواهد افتاد؟

در اين حالت تمام شواهد نشان مي دهد ه جهان در حال انقباض است.

نخست نور ستارگان به طرف آبي جابجا مي شوند.

فاصله بين اجسام در حال اهش است.

بنابراين فاصله بين زمين و ماه كاهش مي يابد، ماه به زمين وصل مي شود. زمين و ساير سيارات در خورشيد سقوط مي كنند. فشار گرانش افزايش مي يابد. خورشيد وستاره ي آلفا قنطورس (نزديكترين ستاره به خورسيد) يكديگر را جذب مي كنند. فاصله ها به سرعت كاهش مي يابد. حجم جهان كاهش مي يابد و شدت گرانش و فشار آن افزايش مي يابد.

چه اتفاقي براي اتمها مي افتد؟

شعاع مدار اتمها كاهش مي يابد. الكترونها در هسته سقوط مي كنند. بنابراين تنها هسته ها باقي مي مانند. همچنين ممكن است حجم هسته ها نيز كاهش يابد. اما ما هيچگونه شاهدي بر اين امر نداريم. لذا اجازه بدهيد با توجه به چگالي هسته بحث را ادامه دهيم.

چگالي هسته

Density of nuclear is.

2x10^17 kg/m^3

فرض كنيم جهان كاملاً درهم فرو ريزد. بنابراين با توجه به چگالي هسته حجم جهان را حساب مي كنيم:

حجم جهان

Vo=M/D=17.1x10^60 kg/2x10^17 kg/m^3=8.5x10^43 m^3

آنگاه شعاع جهان برابر خواهد شد با

Ro=2.7x10^14 m

و اين يك سياه چاله ي مطلق است.

سياه چاله مطلق

Absolute Black holes

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. همه چيز از سي. پي. اچ. ساخته شده است. همچنين هسته ها نيز از سي. پي. اچ. ساخته شده اند. سي. پي. اچ. ها در هسته اتم اسپين دارند و در كنار يكديگر حركت مي كنند. سي. پي. اچ. داراي اسپين و حركت انتقالي است. بطوريكه:

GradVc=0, in all inertial frames and any space

فرض كنيم يك سي. پي. اچ. داراي سرعت انتقالي و اسپين

speed of v and spin of s

هنگاميكه سرعت انتقالي آن به سمت صفر ميل مي كند، اسپين آن به ماكزيمم مي رسد. هنگاميكه فشار گرانش خيلي افزايش يابد، فاصله بين سي. پي. اچ. ها كاهش مي يابد. هيچ جسم يا ذره اي حتي نور و ساير امواج الكترمغناطيسي نمي تواند از ميدان گرانش آن بگريزد.

در اين حالت سرعت انتقالي سي. پي. اچ. نزديك به صفر است. مهبانگ (بيگ بنگ ) از سياه چاله اي نظير آن بوجود آمده است.

با توجه به معادله ي بيگ بنگ مي توانيم درك خوبي از مهبانگ داشته باشيم.

فرض كنيم شدت گرانش به قدري باشد كه سي. پي. اچ. ها در سطح يك سياه چاله تنها داراي اسپين باشند. چنين سياه چاله اي يك سياه چاله ي مطلق است. در اين حالت سي. پي اچ. از نيروي خارجي تبعيت نمي كند و سياه چاله ي مطلق منفجر مي شود.

در لحظات اوليه سي. پي. اچ. ها با سرعت Vc مي گريزند و اثر گرانش در همه جا گسترش مي يابد. با توجه به اينكه شعاع جهان در اين حالت از رابطه زير به دست مي آيد:

Ro < < 2.7x10^14 m

و با توجه به سرعت سي. پي. اچ. جهان در چند ثانيه شديداً منبسط مي شود. اما در آنجا ماده و انرژي وجود ندارد. در اين وضعيت تنها سي. پي. اچ. است كه با سرعت انتقالي Vc در فضا منتشر مي شود. اما سي. پي . اچ. ها با يكديگر داراي كنش متقابل هستند و يكديگر را جذب مي كنند. سي. پي. اچ. ها اسپين مي گيرند و كوانتوم هاي كوچك انرژي شكل مي گيرند. آنگاه امواج الكترومغناطيسي ظاهر مي شوند. اين مرحله در يك مدت زمان بسيار طولاني اتفاق مي افتد. بتدريج انرژي در مدت هاي كوتاه تري توليد مي شود. و مقدار زيادي كوانتوم هاي بزرگ انرژي ظاهر مي شود. به مركز انفجار توجه فرماييد. مركز سياه چاله مطلق نظير مرز ساير اجسام بزرگ است و فشار گرانش در آنجا تقريباً صفر است. بنابراين هنگاميكه جهان (سياه چاله مطلق) منفجر مي شود، مركز آن تحت فشار شديد از همه ي اطراف قرار مي گيرد.

در ثانيه اول انفجار كنش و واكنش ها در مركز جهان بسيار شديد است. مقادير متنابهي انرژي تشكيل مي شود و به ماده و پاد ماده تبديل مي شوند.

بتدريج گرد وعبار و اجسام ظاهر مي شوند. با انبساط جهان اندازه اتمها نيزافزايش مي يابد…

انقلاب نسبيت

احمد شكيب

در دهه اول قرن بيستم انقلابي در فلسفه طبيعي پيش آمد كه بسياري آن را از حيث عمق معنا و درهم ريزي احكام جزمي پذيرفته شده ، نسبت به انقلاب كوپرنيكي _گاليله اي ،برتر به شمار مي آورند . در اين فاصله زماني دو نظريه بسيار مهمي پا به عرصه رقابت نهادند ، نظريه نسبيت و كوانتمي كه نسبت به كار هاي دانشمندان پيشين از جمله ماكسول ،سارين كلوين وكلازيوس به نحو چشمگيري متفاوت بودند .اين نظريه هاي جديد نيز ،با ميكانيك نيوتوني در بعضي از اصول و فرض هاي بنيادي اختلاف شديدي داشتند . اين نظريه علاوه بر اينكه در بر گيرنده پيچيدگي هاي رياضيست ،تصور ذهني و فهم آن ،بسيار دشوار است .

البته شايان ذكر است كه انيشتين در مقاله 1905 خود كه براي اولين بار به نسبيت خاص خود پرداخت از معادلات رياضي ساده استفاده كرد اما در مقاله 1919 كه به نسبيت عام پرداخت ،بر خلاف مقاله بيشين از فرمول هاي پيجيده ي رياضي استفاده كرد .

نسبيت از ريشه نسبي گرفته شده است ، يعني هر كدام از واحد هاي فيزيكي شناخته شده براي توصيف پديده هاي طبيعي ، نسبي هستند . يعني وزن ،سرعت ،شتاب و حتي زمان كه براي ما تعريف مي شوند ، نسبي هستند . براي درك اين بهتر است چند مثالي بزنم . در ميكانيك نيوتني ،نيروي وزن شيء در كره زمين را مقدار نيرويي كه از زمين بر شيء وارد مي شود و آن را با شتاب g به سمت خود مي كشاند ، تعريف كرده اند . اگر از شخصي بپرسيد كه وزنتان چقدر است ؟ او احتمالاً مي گويد : در كجا ؟ . وزن شخص در آسانسوري كه با شتاب به سمت پايين مي رود در مقايسه با هنگامي كه آن آسانسور با همان شتاب به سمت بالا مي رود ، فرق مي كند . حال به مثال ديگري مي پردازيم :

مجيد و فرهاد دو دوست هستند كه سوار بر اتومبيل پرايد ، با سرعت ثابت V در حال حركت هستند ومقصد آن ها ، منزل احمد ، است . در اين هنگام احمد از پشت بام منزلشان ، اتومبيل مجيد را مشاهده مي كند . وي در آنجا ، با انجام محاسباتي توسط دستگاهش ، سرعت مجيد و فرهاد را V بدست مي آورد (معادل سرعت اتومبيل) . در اين لحظه ، اتومبيل پدر احمد ، با سرعت ثابت P از كنار اتومبيل مجيد مي گذرد ، در آن لحظه ي عبور ، دستگاه تعبئه شده در اتومبيل پدر احمد ، سرعت مجيدو فرهاد را U=V+P نشان مي دهد . در آن لحظه عبور ، احمد با مجيد تماس مي گيرد و از او مي پرسد كه سرعت فرهاد را اندازه گيري كند . مجيد با شنيدن سخنان احمد ، تعجب مي كند و مي گويد :" اين ديگر چه سوال بي خودي است . مي بيني كه فرهاد در كنار من ساكن نشسته است ، پس بايد سرعت او صفر باشد ". احمد گوشي را مي بندد و به پدرش زنگ مي زند و از او مي پرسد كه دستگاه محاسبه گر تو ، سرعت مجيد و فرهاد را چند بدست آورده است ؟ پدر مي گويد : "سرعت مجيد و فرهاد U=V+P است " . احمد در اين هنگام با خود فكر مي كند كه چگونه فردي در درون اتومبيل با سرعت ثابت ، بنشيند و در حالي كه خود داراي سه سرعت كاملاً متفاوتي باشد . احمد با مبناي سينماتيك آشنايي زيادي ندارد. پس سرعت هم نسبي است .

مسئله نسبي بودن سرعت ، از نظر انيشتين ، آن قدر كه به اعتبار اصل نسبيت مربوط مي شد به اتر و حركت سوقي ربطي نداشت .

طبق اصل نسبيت : قوانين طبيعت در تمام چارچوب هاي مرجع لخت يكسان اند .

انيشتين پس از مطرح كردن اصل نسبيت ، به دو موضوع بنيادي پرداخت :

1 - اصل نسبيت در تمام رويداد هاي طبيعي صحيح و صادق است.

2 - سرعت نور در خلاء ،در هر چارچوب لختي كه اندازه گيري مي شود با صرفه نظر از حركت منبع نور ، معادل cاست .

اصل موضوعي دوم انيشتين ، در واقع انديشه ميكانيكي نيوتني و سينماتيكي گاليله اي را زير پا مي گذارد . طبق اصول سينماتيك ، اگر دو جسم متحرك با سرعت ثابت ، در حال حركت به سمت يكديگر باشند ، سرعت هر يك از آن ها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است .

اما درنسبيت انيشتين ايگنونه نيست . اگر در نقطه اي نوري را گسيل كنيم ، ناظر ساكن و ناظر متحرك كه با سرعت vدر حال حركت به سمت منبع است ، سرعت نور را cمحاسبه مي كنند .

اين دو اصل سه نتيجه ي حيرت آوري به همراه دارد :

الف) همزماني اتساع زمان . ب) پارادوكس دو قلوها پ) انقباض جرالد-لورنتس .

الف) همزماني اتساع زمان :

مطابق ميكانيك نيوتني ، زمان مطلق است ، يعني زمان در تمام نقاط جهان و بدون وابستگي به شرايط حاكم بر محيط ، به طور يكنواخت جريان دارد .

اما انيشتين خلاف آن را معتقد است ، و در واقع اينجاست كه نيوتن و انيشتين از هم جدا مي شوند .

انيشتين براي اثبات گفته هاي خود در مورد عدم مطلق بودن زمان ، به اصل موضوعي دوم خود پناه مي برد . براي اثبات فرضيه ي انيشتين ، دو لامپ فلاش در نقاط A و B داريم . فردي در ميانه ي BA قرار مي گيرد . ومشاهده مي كند كه دو فلاش A و B همزمان به او مي رسد ، اما اگر فرد به نقطه A نزديكتر باشد ، مشاهده مي كند كه نور گسيل شده از A زودتر از B به او مي رسد ، اما اگر فرد به نقطه B نزديكتر باشد ، مشاهده مي كند كه نور گسيل شده از B زودتر از A به او مي رسد . پس اين رويداد ها همزمان نيستند .

اكنون يكي از معروفترين پيامدهاي اين نظريه ، يعني اتساع زمان ، را بررسي مي كنيم .

منظور از اتساع زمان اينست كه ، ساعت در چارچوب هاي لختي متحرك نسبت به چارچوب هاي لختي ساكن ، كند كار مي كند .

براي روشن كردن بحث اتساع زمان , يك جفت ساعت كاملاً متشابه به هم را تهيه نموده ايم . در اين ساعت ، در آينه به طور موازي و به فاصله ي dاز يكديگر قرار دارند . در يكي از آينه ها نقطه اي وجود دارد كه از آن نوري گسيل مي شود و آن نور پس از انعكاس از آينه دومي ، به همان نقطه تابش خود برمي گردد . اين ساعت به گونه اي كار مي كند كه واحد زمان را معادل ، زمان رفت و برگشت نور بين دو آينه ، نشان مي دهد . يعني واحد زماني كه اين ساعت نشان مي دهد برابر t =2d/c است .

يكي از ساعت ها در چاچوب مرجع ساكن لختي قرار مي دهيم ، و مشاهده مي كنيم كه واحد زمان محاسبه شده معادل t مي باشد .

ساعت ديگر را در چارچوب متحرك لختي كه با سرعت فوق العاده u حركت مي كند، قرار مي دهيم . در اين چارچوب مسير رفت و برگشت نور ، بيشتر از 2d است . زيرا اين ساعت با سرعت u در حال حركت است . پس مكان اين آينه پيوسته در حال تغيير است به همين دليل نور در اين مسير رفت و برگشت خود ، يك مسير شكسته ( به صورت 8 است ) طي مي كند . پس واحد زمان در چارچوب متحرك لختي بزرگتر از واحد زمان در يك چارچوب ساكن لختي است . به همين دليل ساعت ها در چارچوب متحرك لختي نسبت به چارچوب ساكن لختي كند كار مي كنند .

ب) پارادوكس دوقلو ها :

اتساع زمان در نظريه نسبيت ما را به پارادوكس دو قلو ها مي كشاند ، اين پارادوكس بيش از 50 سال بعد از انتشار نظريه نسبيت انيشتين ، مورد بحث ميان دانشمندان بوده است . كه خلاصه اين داستان بدين شرح است كه : يكي از دو قلوه ها تصميم مي گيرد كه با يك فضاپيما كه با سرعت نزديك به سرعت نور حركت مي كند , به يك سياره دور برود . اين مساف