الکتریسیته ساکن در فضا

درمواقعي از سال كه رطوبت هوا بسيار كاهش مي‌يابد، بعد از چند قدم راه رفتن روي فرش منزل با كفشي كه تخت چرمي دارد اگر دستگيره فلزي درب اتاق را لمس كنيد، تخليه شديد بار الكتريكي منجر به سوزش خفيفي در نوك انگشتان‌تان خواهد شد. الكتريسيته ساكني كه در اين مواقع از بدن انسان تخليه مي‌شود تا صدها ولت اختلاف پتانسيل دارد. براي اينكه بفهميم اين بار الكتريكي چگونه در بدن ما به وجود مي‌آيد بايد با ساختمان اتمها آشنا شويم.

اتمها از هسته و پوسته تشكيل شده‌اند. در هسته نوترونهاي فاقد بار الكتريكي و پروتونهاي داراي بار مثبت قرار دارند كه در مجموع بخش اعظم جرم يك اتم را تشكيل مي‌دهند. الكترونها به تعدادي در پوسته قرار مي‌گيرند تا بار الكتريكي كل اتم خنثي باشد. بعضي اتمها الكترونهاي خود را با قدرت تمام نگه داشته‌اند و در مقابل بعضي ديگر انرژي چنداني براي نگهداري الكترونهاي خود هزينه نمي‌كنند. نيروي لازم براي كندن الكتروني از پوسته اتم به فاصله رويه پوسته تا هسته مركزي اتم بستگي دارد. زماني كه دو جسم با جنسهاي متفاوت به هم ماليده مي‌شوند با توجه به ميزان ميل اتمها به نگهداري الكترون، يكي از آنها الكترونهاي خود را از دست مي‌دهد و تجمع بار الكتريكي مثبت در آن افزايش مي‌يابد و در مقابل ديگري با دريافت الكترونهاي آزاد شده بار منفي پيدا مي‌كند. از آنجا كه هميشه ميل به جذب الكترون در اتمهاي مختلف متفاوت مي‌باشد، مي‌توان مطمئن بود كه در اثر تماس دو جنس مختلف با هم، حتماً تبادل الكتريسيته صورت مي‌گيرد اما ميزان اين تبادل براي مواد مختلف، متفاوت است.

در زمين، جاييكه ما زندگي مي‌كنيم، هوا و لباسهايي كه مي‌پوشيم به قدر كافي رطوبت دارد تا در نقش هادي الكتريكي عمل كرده و الكتريسيته ساكن ذخيره شده در بدن ما را كه در اثر تماس با ساير اجسام پديد مي‌آيد، به زمين هدايت كنند. تخليه تدريجي و اندك‌اندك بار الكتريكي بدن به زمين باعث مي‌شود درد و رنج و خطرات ناشي از تخليه ناگهاني بار الكتريكي منتفي شود. اما زماني كه هوا و ساير چيزهايي كه در اطراف ما قرار دارد كاملاً خشك باشند، هيچ راهي براي انتقال بار الكتريكي ذخيره شده در بدن به زمين وجود نخواهد داشت. در چنين شرايطي بدن انسان همانند يك خازن الكتريكي به ذخيره‌سازي بار الكتريكي منفي مي‌پردازد. تخليه بار الكتريكي ساكن در سفرهاي فضايي يكي از مشكلات اساسي فضانورداني خواهد بود كه براي كاوش به ماه يا مريخ اعزام مي‌شوند. در جايي مثل مريخ كه هوا به شدت خشك است و هيچ رطوبتي در خاك وجود ندارد، چند قدم راه رفتن روي سطح اين سياره مي‌تواند بار الكتريكي زيادي در پوسته لباس فضايي فضانورد ايجاد كند. يك انسان معمولي مي‌تواند تا 20,000 ولت بار الكتريسيته در خود ذخيره كند، در چنين حالتي تماس با مثلاً دستگيره درب ورودي سكونت‌گاهي در مريخ يك فاجعه به بار خواهد آورد.اين موضوع مي‌تواند منجر به جراحت عميق فضانورد و ايجاد اشكالات احتمالي در سيستمهاي الكترونيكي لباس فضايي وي و يا محل سكونتش شود.

در جايي مانند مريخ يا ماه شرايط براي توليد الكتريسيته ساكن كاملاً ايده‌آل است. خاك سطح آنها كاملاً خشك است، خشكتر از بي آب و علف‌ترين صحراي روي زمين و در چنين شرايطي سطح سياره يا قمر همچون يك عايق كامل عمل خواهد كرد. علاوه بر اين در ساخت لباس فضايي، اتومبيلهاي فضايي و سكونت‌گاه‌هاي فضايي از تعداد بي‌شماري ماده مختلف استفاده شده است كه هيچ سنخيتي با خاك ماه يا مريخ نيز ندارند. با اين اوصاف راه رفتن در سطح سياره با چكمه‌هاي فضانوردي و راندن روي مريخ باعث تبادل الكترون بين سطح سياره و لباس فضايي يا وسيله حمل و نقل سطح‌نورد خواهد شد و از آنجا‌كه خاك سطح سياره يا ماه كاملاً عايق است (به دليل خشك بودن مطلق) تمام بار منتقل شده در لباس فضايي، بدن فضانورد و وسيله نقليه سطح‌نورد باقي خواهد ماند. هنوز تخمين دقيقي از بار ذخيره شده نداريم، اما حدس زده مي‌شود مقدار آن بسيار زياد باشد.

موضوع مشكلات ناشي از بارهاي الكترواستاتيكي اولين بار در اواخر دهه 1990، در مركز تحقيقات گلن - ناسا، جاييكه فيزيكداني به نام جوزف كلوكي (Joseph Kolecki) به همراه همكارانش روي نمونه‌اي با ابعاد واقعي از مريخ‌نورد پتس‌فايندر (Path Finder) كار مي‌كردند شناخته شد. آنها قبل از پرتاب مريخ‌نورد، شرايطي واقعي شامل سطح و جو مريخ را در آزمايشگاهي به وجود آوردند و با نمونه‌اي واقعي از مريخ‌نورد پتس‌فايندر به گشت و گذار در آن پرداختند. در آن شرايط بود كه كلوكي و همكارانش متوجه صدها ولت بار الكترواستاتيكي شدند كه مريخ‌نورد را در بر گرفته بود.

اين كشف باعث شد كه پژوهشگران ناسا به تكاپو افتند تا به گونه‌اي موفق بر اين مشكل فائق آيند. بار الكتريكي طبق يك اصل طبيعي در مناطق و موقعيتهاي تيز جسم تجمع مي‌كند.

از اين رو دانشمندان با نصب رشته‌هاي بسيار نازكي (حدود 0025/0 ميلي‌متر) از جنس تنگستن روي بدنه فلزي آنتن تلاش كردند تا قسمت اعظم بار الكترواستاتيكي ايجاد شده روي مريخ‌نورد پتس‌فايندر را در اين تارهاي نازك فلزي جمع كنند. ايجاد اختلاف پتانسيل خيلي زياد بين اين رشته‌ها و جو رقيق مريخ باعث مي‌شود بخش زيادي از بار اندك‌اندك توسط جو سياره جذب گردد. چنين وسيله‌اي روي مريخ‌نوردهاي روح (Spirit) و فرصت (Opportunity) نيز نصب شده است.

كارلوس كيل (Carlos Calle) از آزمايشگاه الكترواستاتيك و فيزيك سطح كه در مركز فضايي كندي مستقر است مي‌گويد : "از فضانوردان مأموريت آپولو هيچ گزارشي مبني بر تخليه بار الكتريكي دريافت نشده است. اما بايد در نظر داشت كه مأموريتهاي آينده به ماه با ابزارهاي بزرگتر و فعاليتهاي بيشتري خواهد بود كه طبيعتاً منجر به توليد بار الكتريكي ساكن در ابزار و لباس فضانوردان خواهد شد. اما در ماه ديگر جوي وجود ندارد تا بتوان به تخليه تدريجي الكتريسيته از اين راه اميدوار بود. بنابراين بار الكتريكي ذخيره شده دائماً افزايش خواهد يافت تا اينكه شرايط براي تخليه محيا شود كه در آن صورت حتماً شرايط مورد پسند ما نخواهد بود." وي در ادامه مي‌افزايد: " در مريخ با توجه به وجود جو رقيق مي‌توان اميدوار بود كه تخليه بار الكتريكي حداكثر در محدوده اختلاف پتانسيل صدو يا دويست ولت صورت پذيرد. چنين تخليه‌اي براي سلامتي فضانوردان تهديد محسوب نمي‌شود هرچند باعث آزار آنها خواهد شد. با اين وجود با اطمينان مي‌توان گفت كهچنين تخليه الكتريكي ضعيفي باعث ايجاد آسيبهاي جدي در ابزار و ادوات الكتريكي و الكترونيكي مي‌گردد.

اين مشكل در زمين به سادگي حل مي‌شود. كافي است ادوات الكترونيكي و يا تجهيزاتي كه بيم باردار شدن آنها مي‌رود را با يك ميله مسي به عمق يك تا دومتري زمين وصل كنيم. تقريباً در همه جاي زمين اين راه‌حل مشكل‌گشاست و به خوبي كار مي‌كند. دليل آن هم به رطوبت نسبي خاك در عمق يك تا دو متري زمين مربوط مي‌شود. زمين مانند يك مخزن بسيار بزرگ هر چيزي را كه با آن وصل كنيم، از نظر بار الكتريكي خنثي خواهد كرد.

اما خاك مريخ يا ماه فاقد رطوبت است و يخي كه انتظار مي‌رود در زير سطح مريخ يافت شود نيز كارگشا نخواهد بود، چراكه يخ رساناي خوبي براي الكتريسيته نمي‌باشد. بنابراين اتصال به سطح ابزار ناكارآمدي براي مريخ يا ماه خواهد بود و نمي‌توان انتظار داشت چنين وسيله‌اي جهت خنثي‌سازي الكتريكي مجتمع‌هاي مسكوني مريخ يا ماه به كار روند!!!

شايد خنده‌دار به نظر برسد در مريخ مي‌توان اميدوار بود كه بهترين اتصال خنثي‌سازي را هوا برايمان فراهم كند. براي نيل به اين منظور بايد يك منبع راديواكتيو بسيار ضعيف را به لباس فضايي، مريخ نورد و مسكن مريخي وصل كرد.

ذرات آلفاي كم انرژي از منبع راديواكتيو ضعيف به بيرون پرتاب شده و در اثر برخورد با مولكولهاي جو رقيق مريخ و تحريك آنها، الكترون لايه بيروني مولكولها را جدا كرده و آنها را يونيزه مي‌كنند. به اين ترتيب غشايي از هواي يونيزه شده با بار غالب مثبت به وجود مي‌آيد كه باعث خنثي‌سازي منابع الكترواستاتيكي خواهد شد.

اما موضوع در ماه بسيار پيچيده‌تر است. در اين قمر نه‌تنها خاك خشك است و رطوبتي براي رسانا كردن آن وجود ندارد بلكه حتي جو رقيقي نيز در دسترس نيست كه بتوان با استفاده از ابزاري آن را به يك هادي الكتريسيته تبديل نمود. شايد بتوان در ماه صفحات توري وسيعي از آلومينيوم كه در همان‌جا قابل استحصال است، ساخت و سكونت‌گاه‌ها و كارگاه‌هاي فضايي را روي آن بنا نمود. در آن صورت اين شبكه عظيم آلومينيومي همچون مخزن بزرگي در نقش خنثي‌كننده الكتريكي عمل خواهد كرد.تحقيقات در اين زمينه هنوز در ابتداي راه است و هر روز ايده‌هاي جديدي براي خنثي‌سازي الكتريسيته مزاحم ارائه و بررسي مي‌شوند.

مديريت وبلاگ علم و فناوري

منبع : Crackling Planets

یخ داغ

برای اغلب مردم، درست كردن یخ كار ساده ای است: كافی است یك ظرف آب را در فریزر قرار دهیم. اما شیمیدانی به نام «یون می چوی» Eun Mi Choi و همكارانش در دانشگاه ملی سئول در كره جنوبی به این مسئله به گونه ای دیگر می نگرند. برای آنها درست كردن یخ از طریق كاهش دما تا زیر نقطه انجماد آب، آخرین گزینه محسوب می شود و نه اولین گزینه. این محققان ترجیح می دهند با قرار دادن آب در معرض میدان های الكتریكی یخ درست كنند و شگفت انگیزتر آنكه این كار را در دمای اتاق انجام می دهند.

اما همانطور كه «دنیس ویتلی» (Denys Wheatley) زیست شناس سلولی دانشگاه آبردین انگلستان كه بر روی تاثیر آب بر سیستم های زنده تحقیق می كند نیز اذعان دارد، ایجاد یخ در دمای اتاق یا اصطلاحا «یخ داغ» واقعا حیرت انگیز است چراكه قرن های متمادی تصور بشر آن بود كه ایجاد یخ فقط با سرما میسر است.
آزمایش موفقیت آمیز «چوی» كه چند ماه پیش صورت گرفت سرانجام به جست وجویی ۱۰ساله در مورد نحوه تشكیل «یخ داغ» پایان داد. اما نتیجه غیرمنتظره این آزمایش شگفت انگیز سئوال جدیدی را نیز برای دانشمندان مطرح كرد. آزمایش «چوی» حاكی از آن است كه نه تنها تبدیل آب ولرم به یخ توسط اعمال میدان الكتریكی، كاری شدنی است بلكه شدت میدان لازم برای این كار نیز به طور غیرمنتظره ای پایین است، آنقدر پایین كه به سهولت می توان میدان های مشابهی را در گوشه و كنار طبیعت از شكاف میان تخته سنگ ها و خلل و فرج ذرات خاك معلق در هوا گرفته تا فضای میان پروتئین ها در سلول های بدن یافت. به همین علت تحقیقات اخیر پس از كشف «یخ داغ»، بر روی این پرسش متمركز شده است كه آیا «یخ داغ»، به طور طبیعی در طبیعت نیز شكل می گیرد

اما بازگردیم به داستان كشف «یخ داغ». داستان تشكیل یخ در دمای اتاق با كشفی به ظاهر تصادفی در سال ۱۹۹۵ و توسط یك دانشمند علم مواد به نام «یاكوب كلین» Jacob Klein در مؤسسه علوم ویزمان Weizmann در اسرائیل آغاز شد. او متوجه شد كه مایعات آلی محصور شده مابین صفحاتی از جنس میكا كه تنها چند نانومتر با همدیگر فاصله گرفته اند در دمایی بسیار بالاتر از حالت معمول خود منجمد می شوند.
همین مسئله سبب شد تا او به این فكر بیفتد كه شاید به روشی مشابه بتوان در دمای اتاق یخ ایجاد كرد. اینگونه بود كه كلین شش سال بعد را صرف آزمایش بر روی آب و دیگر مایعات كرد. آزمایش های او برای منجمد كردن اغلب مایعات در دمای اتاق موفقیت آمیز بود اما در مورد آب خیر. می دانیم كه آب یك مایع معمولی نیست. در حالی كه اغلب مواد در حالت جامد خود، چگال تر از حالت مایع هستند اما موضوع در مورد آب برعكس است به همین دلیل هم كوه های یخ در آب شناور می مانند چراكه آب، پس از انجماد، منبسط شده و نتیجتا چگالی یخ، كم تر از چگالی آب است. نهایتا «كلین» به این نتیجه رسید كه محصور كردن مولكول های آب در فضای تنگ مابین صفحات جامد خود به عنوان مانعی برای انجماد آب عمل می كند. به همین دلیل هم او از ادامه آزمایش خود بر روی آب منصرف شد.

اما «كلین» یك عامل حیاتی را كه برای ایجاد یخ در دمای اتاق لازم است ندیده بود و آن، میدان الكتریكی بود. اما همین كه كلین پروژه تحقیقاتی خود را متوقف كرد دو زیست فیزیكدان به نام های «رونن زانگی» Ronen Zangi و «آلن مارك» Alan Mark كه در آن زمان در دانشگاه گرونینگن در هلند بودند، ادامه تحقیق را به دست گرفتند. این دو محقق در سال ۲۰۰۳ موفق به انجام یك شبیه سازی رایانه ای شدند كه نشان می داد در هنگام اعمال یك میدان الكتریكی چه اتفاقی برای مولكول های آب محصور میان صفحات جامد خواهد افتاد.
از آنجایی كه دو اتم هیدروژن موجود در مولكول آب دارای بار جزیی مثبت بوده و اتم اكسیژن این مولكول نیز بار جزیی منفی دارد بنابراین اعمال میدان الكتریكی بر روی آب می تواند جهت گیری های تصادفی مولكول های آب را تغییر داده و آنها را همانند مولكول های جامدات منظم كند. شبیه سازی های «زانگی» و «مارك» حاكی از آن است كه این میزان نظم می تواند به حدی باشد كه حتی در دمای اتاق هم آب را منجمد و جامد گرداند. «مارك» دراین باره می گوید: «با یك میدان الكتریكی قوی حتی می توان یك لیوان پر از آب را در دمای اتاق به یخ تبدیل كرد.» اما هیچ كس نتوانسته بود صحت این پیش بینی را حتی با مقادیر بسیار جزیی آب به طور تجربی نشان دهد تا اینكه نوبت به «چوی» رسید.

«چوی» و همكارانش ابتدا لایه نازكی از آب را مابین یك صفحه و یك سوزن بسیار باریك فلزی محصور كردند. سپس میدان الكتریكی ضعیفی را مابین سوزن و صفحه فلزی اعمال كرده و سر سوزن را به تدریج به صفحه نزدیك كردند. هنگامی كه سر سوزن فقط ۷۰ نانومتر با صفحه فلزی فاصله داشت، سوزن به مانعی برخورد كرد و دیگر جلوتر نرفت. این مانع، در واقع لایه ای از یخ بود و بدین ترتیب «چوی» برای اولین بار در جهان موفق به ایجاد «یخ داغ» شده بود.

اما آنچه محققان را به طور خاص شگفت زده كرد آن بود كه ایجاد «یخ داغ» با اعمال شدت میدانی در حدود یك میلیون ولت بر متر (نیوتون بر کولن) میسر شده بود. اگرچه ممكن است این شدت میدان، زیاد به نظر برسد اما برعكس تصور شما، این میدان در حدی است كه به راحتی می توان مشابه آن را در بسیاری از نقاط طبیعت یافت. به عنوان مثال، در میان خلل و فرج ذرات خاك معلق در هوا، بار الكتریكی كافی برای ایجاد چنین شدت میدانی وجود دارد. چنین میدانی می تواند حتی در هوای معتدل نیز توده ای از مولكول های آب را به بلورهای بسیار كوچك یخ تبدیل كند. بدین ترتیب پدیده «یخ داغ» ممكن است بتواند نحوه تشكیل ابرها در آسمان را كه سال هاست به شكل یك راز سر به مهر باقی مانده و دانشمندان علوم جوی را سردرگم كرده است تبیین كند. به همین ترتیب، میدان های الكتریكی موجود مابین غشاء سلول های عصبی و یا سطوح پروتئین ها و پلی ساكاریدها نیز می توانند به اندازه كافی شدید باشند كه منجر به شكل گیری ذرات بسیار كوچك یخ در درون سلول ها شوند.«ویتلی» معتقد است كه بدین ترتیب، به زودی جست وجو برای یافتن «یخ داغ» در حفره های درون پروتئین ها نیز آغاز خواهد شد. او می گوید: «در فواصل بسیار كوچك در سطح پروتئین ها می توان میدان های الكتریكی بسیار شدیدی را یافت.»

درواقع ممكن است نشانه هایی از وجود «یخ داغ»، پیش از این نیز بدون آنكه كسی متوجه آن شده باشد خود را بروز داده باشد. شیمیدان هایی كه میزان تحرك مولكول های آب را مطالعه می كردند دریافته بودند كه حركت این مولكول ها در اطراف یون هایی كه دارای دو یا سه بار مثبت هستند نظیر یون های كلسیم و كروم به شدت كند می شود. میزان این كند شدن به حدی است كه مولكول هایی كه در لایه های نزدیك این یون ها قرار دارند ممكن است تا پیش از آنكه جای خود را به دیگر مولكول ها بدهند حتی تا یك ساعت تمام همانطور در اطراف یون مزبور باقی بمانند. اما همین مولكول ها در اطراف یون های تك بار نظیر پتاسیم و سدیم برعكس بسیار پرجنب و جوش هستند. در واقع ممكن است حركت كند آب در اطراف یون های با بیش از یك بار مثبت، نشانه ای از انجماد آب در حضور میدان الكتریكی اطراف یون باشد.
«ویتلی» معتقد است كه پیامدهای كشف این رفتار شگفت انگیز آب بسیار تكان دهنده خواهد بود. آب بستر حیات محسوب می شود و چنانچه ویژگی های این بستر حتی اندكی هم تغییر كند منجر به تحول بیش از یكصد عامل دیگر در سلول ها خواهد شد. «ویتلی» ادامه می دهد:به نظر می رسد كه آب یعنی همان مایعی كه بیشترین بخش بدن ما را تشكیل می دهد هنوز هم جزء ناشناخته ترین عوامل طبیعت است. ویژگی های ناشناخته این مایع حیات بخش، هنوزهم پس از قرن ها تحقیق علمی، ما را شگفت زده می كند.

منبع : New Scientist

گرانش

گرانش، نيروي جاذبه ايست که بين همه اجرام، به خاطر جرمشان، وجود دارد. جرم يک جسم، مقدار ماده آن است. به دليل وجود گرانش، جرمي که در نزديک زمين قرار گيرد به سمت سطح اين سياره سقوط مي کند. جرمي که در سطح زمين است نيز نيرويي به سمت پائين را به دليل گرانش تجربه مي کند. ما اين نيرو را در بدن خود به شکل وزن تجربه مي کنيم. گرانش، گازهاي تشکيل دهنده خورشيد را در کنار هم نگاه مي دارد و باعث مي شود سيارات در مدار خود به دور خورشيد قرار داشته باشند.

مردم، قرنها در مورد گرانش دچار اشتباه بودند. در سال 300 قبل از ميلاد مسيح، فيلسوف و دانشمند يوناني، ارسطو، بر اساس يک باور اشتباه فکر مي کرد که اجرام سنگين سريعتر از اجرام سبک سقوط مي کنند. اين باور تا اوايل 1600 ميلادي همچنان در بين مردم پابرجا بود تا اينکه دانشمند ايتاليايي، گاليله اين باور را اصلاح نمود. گاليله گفت که شتاب همه اجرام به هنگام سقوط با هم برابر است مگر اينکه مقاومت هوا يا نيروهاي ديگري بر آن تاثير بگذارد. شتاب يک جرم، مقدار تغيير در سرعت آن جرم است. بنابراين اگر يک جرم سنگين و يک جرم سبک را همزمان با هم از يک ارتفاع پرتاب کنيم در يک زمان به زمين مي رسند.

قوانين گرانش نيوتوني
ستاره شناسان در گذشته توانستند حرکات ماه و سيارات بر فراز آسمان را اندازه گيري کنند. با اين حال تا اوايل سال 1600، هيچيک نتوانستند به درستي اين حرکات را توضيح دهند. در آن زمان، ايزاک نيوتون دانشمند انگليسي، ارتباطي را بين حرکات اجرام سماوي و نيروي جاذبه زمين توصيف نمود.

در سال 1665، زمانيکه نيوتون 23 ساله بود، سقوط يک سيب اين سوال را در ذهن او ايجاد کرد که نيروي گرانش زمين تا چه فاصله اي تاثير گذار است. نيوتون کشف خود را در سال 1687 به نام "ريشه هاي رياضي در فلسفه طبيعت " تشريح نمود. نيوتون به کمک قوانين حرکت سيارات که توسط ستاره شناس آلماني يوهانس کپلر کشف شده بود، نشان داد که چگونه نيروي گرانش خورشيد با افزايش فاصله کاهش مي يابد. او سپس فرض کرد که گرانش زمين نيز به روشي مشابه در فواصل دور کاهش مي يابد. نيوتون مي دانست که گرانش زمين، ماه را در مدار خود قرار داده است و مقدار گرانش زمين در آن فاصله را اندازه گيري کرد. او به کمک فرض خود، بزرگي گرانش در سطح زمين را به دست آورد. عدد به دست آمده، بزرگي همان نيرويي بود که سيب را به زمين کشاند.

قانون گرانش نيوتون مي گويد که نيروي گرانش بين دو جرم ارتباط مستقيم با جرم آن دو دارد. يعني هر چه جرم آنها بيشتر باشد، نيروي گرانش بين آن دو بيشتر است. اين قانون همچنين مي گويد که نيروي گرانش بين دو جرم ارتباط عکس با فاصله بين دو جرم به توان دو دارد. براي مثال اگر فاصله بين دو جرم دو برابر شود، نيروي گرانش بين آنها يک چهارم مي شود. فرمول قانون نيوتون به صورت F=G.m₁m₂/d² مي باشد که در آن F نيروي گرانش بين دو جرم، m₁ و m₂ مقدار مواد دو جرم و d² فاصله بين دو جرم به توان دو و G ثابت گرانشي است كه توسط هنري كاونديش محاسبه شد.

تا اوايل 1900، دانشمندان تنها يک حرکت را مشاهده کرده بودند که بر اساس قانون نيوتون قابل توضيح نبود و آن جابجايي کوچکي در مدار عطارد به دور خورشيد بود. مدار عطارد، مانند مدار ديگر سيارات بيضي شکل است. خورشيد درست وسط اين بيضي قرار ندارد. به همين دليل يک نقطه در اين مدار نسبت به ديگر نقاط آن به خورشيد نزديکتر است. اما مکان اين نقطه در هر بار گردش سياره به دور خورشيد اندکي تغيير مي کند. دانشمندان به اين جابجايي، سبقت سياره مي گويند. دانشمندان از قانون نيوتون براي محاسبه اين جابجايي استفاده کردند اما نتيجه معادله با آنچه که مشاهده مي شود اندکي متفاوت است.

تئوري گرانش انيشتين
در سال 1915، آلبرت انيشتين، فيزيکدان متولد آلمان، تئوري فضا-زمان-گرانش يا تئوري نسبيت عام را معرفي کرد. تئوري انيشتين طرز فکر دانشمندان به گرانش را به کلي دگرگون کرد. البته اين تئوري، قانون نيوتون را رد نکرد بلکه آنرا گسترش داد. در بيشتر موارد، نتيجه اي که از تئوري نسبيت حاصل مي شد، اندکي با نتيجه به دست آمده از قانون نيوتون متفاوت بود. براي مثال، انيشتين از تئوري خود براي اندازه گيري سبقت مداري سياره عطارد استفاده کرد و نتيجه به دست آمده درست برابر با مشاهدات بود. اين نخستين آزمون براي تائيد تئوري نسبيت عام به حساب آمد.

تئوري انيشتين بر اساس دو چيز استوار بود. اول، ماهيتي به نام فضا-زمان و دوم قانوني که به نام اصل هم ارزي شناخته مي شود:
1- فضا-زمان:در رياضيات پيچيده نسبيت، زمان و فضا از هم جدا نيستند. در عوض، فيزيکدانان به مجموعه اي از زمان و فضاي سه بعدي شامل طول، عرض و ارتفاع، فضا-زمان مي گويند. انيشتين چنين بيان کرد که ماده و انرژي مي توانند با ايجاد انحنا در فضا-زمان، شکل آنرا تغيير دهند و گرانش در واقع تاثير اين انحنا در فضا-زمان مي باشد.

2-اصل هم ارزي: مي گويد که تاثيرات گرانش و تاثيرات شتاب با هم برابرند. براي درک اين اصل، تجسم کنيد که شما در سفينه اي هستيد که به هيچ جرم آسماني نزديک نيست. بنابراين سفينه شما تحت تاثير هيچ گونه نيروي گرانشي قرار ندارد. فرض کنيد که سفينه شما به سمت جلو مي رود اما شتاب ندارد. به بياني ديگر، سفينه شما با سرعتي ثابت و در جهتي ثابت حرکت مي کند. اگر شما توپي را بيرون بگيريد و رها کنيد، توپ سقوط نخواهد کرد. در عوض، در کنار شما معلق خواهد ماند. اما فرض کنيد که سفينه شما با افزايش سرعت، شتاب بگيرد. در اين هنگام توپ ناگهان به سمت پائين سفينه سقوط خواهد کرد دقيقا مانند زمانيکه تحت تاثير گرانش قرار بگيرد.

پيش بيني هاي نسبيت عام:
از زمانيکه محاسبه سبقت مداري عطارد، تئوري نسبيت را تائيد نمود، مشاهدات زيادي براي بررسي پيش بيني هاي تئوري نسبيت انجام گرفت. برخي از نمونه ها عبارتند از: انحراف پرتوهاي نور و امواج راديويي، وجود امواج گرانش و سياه چاله ها و گسترش کائنات.

1- انحراف پرتوهاي نور: تئوري انيشتين پيش بيني مي کرد که گرانش مي تواند مسير پرتوهاي نور را هنگاميکه از نزديک يک جرم سنگين عبور مي کنند دچار انحراف کند. انحراف به اين دليل به وجود مي ايد که اجرام، فضا-زمان را دچار انحنا مي کنند. خورشيد به قدري سنگين هست که بتواند پرتوهاي نور را منحرف نمايد و دانشمندان در سال 1919، در حين يک کسوف کامل توانستند اين پيش بيني را تائيد کنند.

2- ايجاد انحراف و کاستن از سرعت امواج راديويي: اين تئوري همچنين پيش بيني کرد که خورشيد امواج راديويي را منحرف کرده و سرعت آنها را کاهش مي دهد. دانشمندان با اندازه گيري انحرافي که خورشيد در امواج راديويي ارسال شده توسط کوازارها (اجرام بسيار بسيار قدرتمند که در مرکز برخي کهکشانها قرار دارند) ايجاد مي کند اين پيش بيني را نيز تائيد کردند. محققين تاخير امواجي که از کنار خورشيد عبور مي کردند را با ارسال سيگنالهايي بين زمين و فضاپيماي وايکينگ که در سال 1976 به مريخ رسيد، اندازه گيري کردند. آن اندازه گيريها همچنان يکي از پر ارزش ترين تائيديه هاي تئوري نسبيت به حساب مي ايند.

3- امواج گرانشي: تئوري نسبيت نشان داد که اجرام سنگيني که به دور يکديگر در چرخشند، امواجي را به نام امواج گرانشي منتشر مي کنند. از سال 1974، دانشمندان حضور اين امواج را به طور غير مستقيم با مشاهده اجرامي به نام تپ اختر دوتايي تائيد کرده اند. تپ اختر دوتايي نوعي ستاره نوتروني است که با سرعت بسيار زياد به دور جرمي مشابه خود اما کوچکتر و غير قابل مشاهده مي چرخد. ستاره نوتروني متشکل از سلولهاي نوترون، ذره اي که به طورمعمول تنها در هسته اتمها يافت مي شود، مي باشد.
يک تپ اختر ، دو موج راديويي را در دو جهت مخالف هم منتشر مي کند. با چرخش ستاره حول محور خود، موجها مانند پرتوهاي نور يک نورافکن در فضا پخش مي شوند. اگر يکي از اين امواج راديويي به زمين برسد، تلسکوپهاي راديويي اين موج را به صورت يک سري پالس دريافت مي کنند. با مشاهده دقيقتر تغييرات پالسهاي يک تپ اختر دوتايي، دانشمندان مي توانند دوره مداري (زمانيکه دو ستاره يک دور کامل در مدار خود مي زنند) آن را تخمين بزنند.
مشاهدات تپ اختر دوتايي PSR 1913+16 نشان داد که دوره مداري آن کاهش مي يابد و ستاره شناسان اين مقدار کاهش را اندازه گيري کردند. دانشمندان همچنين از معادلات نسبيت عام براي محاسبه مقدار کاهش دوره مداري، در صورت انتشار امواج گرانشي، استفاده کردند. مقدار محاسبه شده دقيقا برابر با مقدار اندازه گيري شده بود.

4- سياهچاله ها: تئوري انيشتين حضور اجرامي به نام سياهچاله ها را پيش بيني کرد. سياهچاله منطقه اي در فضا است که نيروي گرانش آن اجازه گريز به هيچ چيز حتي پرتوهاي نور را نمي دهد. محققان مدارک مستدلي در دست دارند که نشان مي دهد اغلب ستارگان سنگين در نهايت به سياهچاله تبديل مي شوند و بيشتر کهکشانها داراي يک سياهچاله عظيم الجثه در مرکز خود مي باشند.

5- گسترش کائنات: انيشتين در سال 1917، مقاله نسبيت عام را که مطالعه اي بر کل کيهان بود ارائه نمود. بر اساس اين تئوري، کائنات يا در حال گسترش است و يا در حال انقباض. در آن سال دانشمندان مدارک قاطعي براي پذيرفتن هيچ يک از آن دو حالت در دست نداشتند. انيشتين براي پيشگيري از بروز مخالفت ديگران با تئوري نسبيت عام، عاملي به نام ثابت کيهاني را به تئوري خود افزود. ثابت کيهاني، دفع هر ذره در فضا توسط ذرات اطرافش، براي پيشگيري از انقباض جهان مي باشد.

بالاخره در سال 1929، ستاره شناس آمريکايي ادوين هابل (Edwin Hubble) کشف کرد که کهکشانهاي دوردست در حال دور شدن از زمين مي باشند و هر چه فاصله کهکشان از زمين بيشتر است سرعت دور شدن آن نيز بيشتر است. کشف هابل نشان داد که دنيا در حال انبساط است. در پي اين اکتشاف و تائيد آن توسط مشاهدات ستاره شناسان ديگر، انيشتين ثابت کيهاني را از تئوري خود حذف نمود و آن را بزرگترين اشتباه خود توصيف کرد.

کشف گسترش کائنات به همراه مشاهدات ديگر، منجر به شکل گيري تئوري منشا کائنات يعني تئوري بيگ بنگ يا مهبانگ شد. بر اساس اين تئوري، جهان در پس يک انفجار مهيب آغاز شده است. در آغاز، کل جهاني که ما امروز در اين ابعاد و اندازه مي بينيم، به کوچکي يک تيله بوده است. سپس مواد شروع به گسترش کرده و اين گستردگي تا به امروز ادامه يافته است.

6- انرژي تاريک: گرچه انيشتين ثابت کيهاني را بزرگترين اشتباه خود خواند اما شايد اين عامل يکي از بزرگترين دستاوردهاي مطالعات او باشد. اندازه گيريهايي که در سال 1998 گزارش شدند نشان مي دهند که جهان با سرعت بيشتر و بيشتري رو به گسترش است. به علاوه، سرعت گسترش همانطور که در نسبيت عام با ثابت کيهاني محاسبه شده بود، افزايش يافته است.
تا قبل از انتشار گزارشات، ستاره شناسان همگي فکر مي کردند که از سرعت گسترش به دليل وجود گرانش بين کهکشانها، کاسته شده است. اندازه گيريها نشان دادند که انفجارهاي ابر نواختر در کهکشانهاي دور دست، کم نور تر از آن هستند که انتظار مي رود بنابراين کهکشانها دورتر از آن هستند که ما تصور مي کنيم. اما اين کهکشانها فقط در صورتي مي توانند چنين فاصله دوري از ما داشته باشند که افزايش سرعت گسترش از گذشته آغاز شده باشد.
ستاره شناسان به اين نتيجه دست يافته اند که افزايش سرعت گسترش کائنات وابسته به عاملي است که بر خلاف گرانش عمل مي کند. اين عامل ممکن است ثابت کيهاني و يا چيزي به نام انرژي تاريک باشد. دانشمندان هنوز به يک تئوري براي وجود انرژي تاريک نرسيده اند اما آنها مي دانند که چقدر از آن احتمالا در دنيا وجود دارد. مقدار انرژي تاريک کائنات حدودا دو برابر مقدار ماده در آن است.

ماده در جهان شامل دو نوع است: ماده مرئي و ماده اسرار آميزي به نام ماده تاريک.
دانشمندان از ترکيب بندي ماده تاريک بي اطلاعند. اما اندازه گيريهاي حرکت ستارگان و ابرهاي گاز در کهکشانها دانشمندان را وادار به باور نمودن وجود چنين ماده اي کرده است. اين اندازه گيريها نشان داده اند که جرم کهکشانها چندين بار بيشتر از جرم اجرام مرئي در آنها است. همه اين مشاهدات بيانگر اين هستند که مقدار ماده تاريک در کائنات 30 برابر ماده مرئي در آن است.


7- گرانش و سن جهان: مشاهدات ديگري که انجام گرفته اند نشان دادند که تئوري نسبيت عام در همه جاي کائنات کاربرد دارد. کيهان شناسان عمر جهان را به کمک معادلات نسبيت عام، ميزان سرعت گسترش جهان و مقدار تخميني ماده و انرژي تاريک محاسبه کردند. مقدار محاسبه شده، حدودا 14 بيليون سال، با نتايج به دست آمده توسط دو روش ديگر محاسبه عمر جهان يعني محاسبه بر اساس تکامل ستارگان و محاسبه بر اساس نيمه عمر راديواکتيو ستارگان پير، همخواني داشت.

8- تکامل ستارگان: همراه با رشد و تکامل ستاره، دماي سطحي و نورانيت آن به روش کاملا شناخته شده اي تغيير مي کند. ستاره شناسان مي توانند با اندازه گيري دماي سطحي و نورانيت يک ستاره، سن آن را تشخيص دهند. با بهره گيري از اين روش، پير ترين ستاره اي که تا کنون ستاره شناسان پيدا کرده اند حدود 13 بيليون سال عمر دارد.

نيمه عمر راديو اکتيو بر اساس اين واقعيت است که عناصر شيميايي مشخص، دچار تجزيه راديواکتيو مي شوند. در تجزيه راديواکتيو، يک ايزوتوپ از يک عنصر به ايزوتوپ عنصري ديگر تبديل مي شود. ايزوتوپ هاي راديواکتيو با سرعت مشخص و شناخته شده اي تجزيه مي شوند.

در سال 2001، دانشمنداني که در شيلي، با تلسکوپ بزرگ رصدخانه اروپاي جنوبي کار مي کردند، با تکنيک نيمه عمر راديواکتيو، ستاره اي پير در کهکشان راه شيري را مورد مطالعه قرار دادند. محققان اورانيوم 238 که شامل 92 پروتون و 146 نوترون است را بررسي کردند. دانشمندان مي دانستند که آن ستاره در زمان شکل گيري شامل چه مقدار اورانيوم بوده است. آنها مقدار اورانيوم فعلي آن را اندازه گيري کردند. آنان با استفاده از اطلاعات به دست آمده و محاسبات، عمر اين ستاره را به دست آوردند. به احتمال خيلي زياد آن ستاره 5/12 بيليون سال عمر دارد، بنابراين عمر جهان احتمالا از آن بيشتر است. محاسبه عمر چندين ستاره پير ديگر نيز تقريبا به همين نتيجه ختم شد.

مديريت وبلاگ علم و فناوري

منبع : ايرانيكا

الکتريسته و مغناطيس

مردم اثرهاي ساده الکتريکي و مغناطيسي را از زمانهاي قديم می‌شناختند. حدود 600 سال قبل از ميلاد، يونانيان می‌دانستند که آهنربا آهن را جذب می‌کند و کهرباي ماليده به لباس چيزهاي سبک مانند کاه را به سوي خود می‌کشد. با اين حال، اختلاف بين جذب هاي الکتريکي و مغناطيسي تعيين نشده بود و اين پديده‌ها را از يک نوع در نظر می‌گرفتند.
خط فاصل روشن بين اين دو پديده را «گيلبرت» (W. Gilbert)، فيزيکدان و طبيعت شناس انگليسي، پيدا کرد؛ و نيز در سال 1600 کتابي درباره آهنربا و «اجسام آهنربايي» و «زمين به عنوان آهنرباي بزرگ» منتشر کرد. کار وي شروع بررسي در پديده‌هاي الکتريکي را نشان می‌دهد. در اين کتاب، گيلبرت همه خواص آهنرباهاي شناخته شده تا آن زمان را تشريح کرده و نتايج آزمايشهاي خيلي مهم خودش را نيز آورده است. همچنين، وي شماري از تفاوتهاي اساسي بين جذبهاي الکتريکي و مغناطيسي را مشخص و اصطلاح «الکتريسيته» را وضع کرده است.

سير تحولي و رشد:
بعد از انتشار کارهاي گيلبرت، تمايز بين پديده‌هاي الکتريکي و مغناطيسي مسلم شد؛ اما به رغم اين اختلافها، شماري از واقعيتها ارتباط ناگسستني بين اين پديده‌ها را پديدار ساخت. برجسته‌ترين اين واقعيتها مغناطيس اشياي آهني و واروني عقربه قطب نما بر اثر آذرخش بودند.
«آراگو» (D. F. Arago)، فيزيکدان فرانسوي، در کتاب خود به نام «تندر و آذرخش» شرح می‌دهد که چگونه در ژوئيه سال 1681، در کشتي «راين» (reine) - واقع در درياي آزاد - حدود صدها مايل از ساحل بر اثر آذرخش دکلها و بادبانها و ... به طور جدي صدمه ديدند. وقتي که شب فرا رسيد، از روي وضع ستارگان دريافت که از سه قطبنماي در دسترس دو تا به جاي شمال به سمت جنوب ايستاده بودند؛ در حالي که يکي از آنها به سمت شمال بود، آراگو همچنين شرح می‌دهد که هرگاه آذرخش به خانه بخورد، کارد و چنگال و ساير اشياي آهني را بشدت آهنربا می‌کند.

در آغاز قرن هجدهم، ثابت شد که آذرخش در واقع جريان الکتريکي شديدي است که از هوا می‌گذرد. بنابر اين، به اين نتيجه می‌رسيم که جريان هاي الکتريکي خواص مغناطيسي دارد؛ اما اين خواص جريان را فقط در سال 1820 «اورستد» (H. Oersted)، فيزيکدان دانمارکي، با آزمايش مشاهده و بررسي کرد.

همان طوري که نيروهاي مؤثر در بارهاي الکتريکي نيروهاي الکتريکي نام دارد، نيروهاي مؤثر در آهنرباهاي طبيعي يا مصنوعي را «نيروهاي مغناطيسي» می‌گويند.

منشأ ميدان مغناطيسي:
اگر در فضا نيروهاي الکتريکي حاکم باشد و بر ذرات باردار نيروي الکتريکي وارد کند، می‌گوييم در اين فضا ميدان الکتريکي وجود دارد. از اين رو، آزمايش نشان می‌دهد که در فضاي اطراف جريان الکتريکي نيروهاي مغناطيسي ظاهر می‌شود؛ يعني ميدان مغناطيسي به وجود می‌ايد.

اولين سؤال اورستد:
ايا ماده سيم روي ميدان مغناطيسي به وجود آمده از جريان اثر دارد يا نه؟ اورستد دريافت که سيمهاي اتصال را می‌توان از چند سيم يا نوار باريک مختلف درست کرد و جنس فلز در نتيجه اثر نمی‌گذارد (باحتمال، اگر بزرگ باشد، اثر می‌گذارد)؛ چون فلزات مختلف مقاومتهاي الکتريکي متفاوتي دارند. اگر به باتري وصل شود، ممکن است جريانهاي متفاوت داشته باشد و در نتيجه اثر مغناطيسي اين جريانها متفاوت خواهد بود؛ اما بايد به ياد داشت که آزمايش اورستد پيش از وضع قانون اهم و دستيابي به مفهوم بستگي مقاومت رساناها به جنس ماده تشکيل دهنده آنها انجام گرفته است. اگر آزمايش اورستد با سيمهاي پلاتين و طلا و نقره و برنج و آهن يا نوارهاي روي و قلع يا جيوه انجام گيرد، همين نتيجه اخير به دست می‌ايد. اورستد آزمايشهايش را با فلز، يعني رساناهايي با رسانش الکتروني، انجام داد.

اثر مغناطيسي جريان الکتروليتي:
اگر در آزمايش اورستد فلز رسانا با لوله داراي الکتروليت يا لوله‌اي استفاده شود که داخل آن تخليه الکتريکي صورت می‌گيرد، هرچند در اين حالتها جريان الکتريکي از حرکت يونهاي مثبت و منفي ناشي می‌شود، اثر آنها روي عقربه مغناطيسي با اثر رساناي فلزي يکسان است. بدون توجه به رساناي حامل جريان، در فضاي اطراف آن ميدان مغناطيسي به وجود می‌ايد. از اين رو، می‌توان گفت که در اطراف هر جرياني ميدان مغناطيسي ظاهر می‌شود. اين خاصيت اصلي جريان الکتريکي در تأثيرات حرارتي و شيميايي جريان الکتريکي نقش دارد.

اثر مغناطيسي جريان و خواص الکتريکي رسانا
ايجاد ميدان مغناطيسي معمولترين خاصيت از سه خاصيت جريان الکتريکي است. جريان الکتريکي فقط در يک نوع رسانا (الکتروليتها) اثر شيميايي به وجود می‌آورد، نه در ديگران (فلزات). مقدار جريان آزاد شده از جريان، بسته به مقاومت رسانا، ممکن است بيشتر يا کمتر باشد. در ابر رساناها، ممکن است همراه جريان گرما آزاد شود. از طرفي ديگر، ميدان مغناطيسي با جريان الکتريکي پيوندي جدايي ناپذير دارد. اين ميدان به خواص مشخصي از رسانا بستگي ندارد و فقط شدت و جهت جريان آن را تعيين می‌کند. بيشترين کاربردهاي صنعتي الکتريسيته نيز به وجود ميدان مغناطيسي جريان وابسته است.

منبع : تله تكست سيماي جمهوري اسلامي ايران

كاربردهاي انرژي هسته اي

استفاده از انرژي هسته اي، يكي از اقتصادي ترين شيوه ها در دنياي صنعتي است و گستره عظيمي از كاربردهاي مختلف، شامل توليد برق هسته اي، تشخيص و درمان بسياري از بيماريها، كشاورزي و دامداري، كشف منابع آب و ... را در بر مي گيرد.

انرژي هسته اي در مجموع، مانند يكي از انرژي هاي موجود در جهان مثل انرژي بادي، آبي، گاز و نفت و ... است، اما در مقايسه با آنها جزو انرژي هاي پايان ناپذير شمرده مي شود، كه از نظر ميزان توليد انرژي پاسخگوي نيازهاي بشر خواهد بود. يعني انرژي حاصل از تبديل ماده به انرژي برابر است با جرم ماده ضرب در سرعت نور به توان 2 كه نشان دهنده انرژي زياد حاصل از تبديل مقدار كمي ماده به انرژي است.

انرژي هسته اي كاربردهاي متعددي دارد كه در يك تقسيم بندي كلي مي توان آن را به نظامي و غيرنظامي يا صلح جويانه تقسيم كرد.

1- توليد برق، يكي از نيازهاي روزمره و فوق العاده تأثير گذار بر زندگي مردم است كه اگر با صرفه اقتصادي بيشتر و آلودگي هرچه كمتر زيست محيطي همراه باشد به يقين خواهد توانست در اقتصاد كشور نقش بسزايي ايفا كند. انرژي هسته اي كه از اين دو شاخصه مهم برخوردار است، مي تواند در اين زمينه به كمك نيروگاه ها آمده و جهان را از بحران محدوديت منابع فسيلي رهايي بخشد. به همين دليل، نيروگاه برق اتمي، اقتصادي ترين نيروگاهي است كه امروزه در دنيا احداث مي شود.

2- يكي از روشهاي تشخيصي و درماني ارزشمند در طب، پزشكي هسته اي است كه در آن از ايزوتوپهاي راديو اكتيو (راديو ايزوتوپ) براي پيشگيري، تشخيص و درمان بيماريها استفاده مي شود. گفتني است از راديو ايزوتوپ ها 60 سال است كه براي شناسايي و درمان بيماريها استفاده مي شود. با كشف شيوه هاي درماني بيشتر و پيشرفت اين راهها استفاده از راديو ايزوتوپ هم گسترده تر شده است.

3- پرتودهي مواد غذايي، عبارت است از قرار دادن ماده غذايي در مقابل مقدار مشخصي پرتو گاما، به منظور جلوگيري از جوانه زني بعضي محصولات غذايي مانند پياز و سيب زميني و همچنين كنترل آفات انباري، كاهش بار ميكربي و قارچي بعضي از محصولات مانند زعفران و ادويه و تأخير در رسيدن بعضي ميوه ها به منظور افزايش زمان نگهداري آنها ..... در بخش كودها مطالعات مربوط به تغذيه گياهي نيز از اين روش استفاده مي شود مانند نحوه جذب كودها و عناصر و ... .

4- با استفاده از تكنيك پرتوتابي هسته اي مي توان تغييرات ژنتيكي مورد نظر را براي اصلاح محصول در توده هاي گياهي به كار برد. براي نمونه كشور پاكستان كه بيابان هاي وسيع و زمين هاي باير فراواني دارد، از راه كشاورزي هسته اي، ارقام پرمحصولي از گياهان را در همين مناطق پرورش داده است.

5- نقش تكنيك هاي هسته اي در پيشگيري، كنترل و تشخيص بيماريهاي دامي، نقش تكنيك هاي هسته اي در توليد مثل دام، نقش تكنيك هاي هسته اي در تغذيه دام، نقش تكنيك هاي هسته اي در اصلاح نژاد دام، نقش تكنيك هاي هسته اي در بهداشت و ايمني محصولات دامي و خوراك دام.

6- كاربرد تكنيك هاي هسته اي در مديريت منابع آب همان بهبود دسترسي به منابع آب جهان، يكي از زمينه هاي بسيار مهم توسعه شناخته شده است. بيش از يك ششم جمعيت جهان در مناطقي زندگي مي كنند كه دسترسي مناسب به آب آشاميدني بهداشتي ندارند. تكنيك هاي هسته اي براي شناسايي حوزه هاي آبخيز زيرزميني، هدايت آبهاي سطحي و زيرزميني، كشف و كنترل آلودگي و كنترل نشت و ايمني سدها به كار مي رود. از اين تكنيك ها، براي شيرين كردن آب شور و آب دريا نيز استفاده مي شود.

7- نمونه هايي براي طرح كاربرد انرژي هسته اي در بخش صنعت عبارتند از: تهيه و توليد چشمه هاي پرتوزايي كبالت براي مصارف صنعتي، توليد چشمه هاي ايريديم براي كاربردهاي صنعتي و بررسي جوشكاري در لوله هاي نفت و گاز، توليد چشمه هاي پرتوزا براي كاربردهاي مختلف در علوم و صنعت از قبيل طراحي و ساخت انواع سيستم هاي هسته اي براي كاربردهاي صنعتي مانند سيستم هاي سطح سنجي، ضخامت سنجي، چگالي سنجي و نظاير آن، اندازه گيري زغال سنگ، بررسي كوره هاي مذاب شيشه سازي براي تعيين اشكالات آنها، نشت يابي در لوله هاي انتقال نفت با استفاده از تكنيك هسته اي و ... .

مديريت وبلاگ علم و فناوري

منبع : ايرانيكا

بخش اول- حكم گاليله
قبل از گاليله كساني كه مخالف نظريه حركت زمين بودند چنين استدلالي مي كردند كه اگر مثلاً ميله بلندي را به طور عمود، به زمين متصل كنيم و گلوله توپي را از كنار آن ها رها كنيم گلوله درست كنار ميله حركت مي كند و كنار آن به زمين برخورد خواهد كرد، در حالي كه اگر زمين را در حال حركت فرض كنيم طي مدت زماني كه طول مي كشد تا گلوله به زمين برسد، زمين و در نتيجه ميله متصل به آن كمي از مكان مكان اوليه خود حركت كرده است و نبايد گلوله درست در كنار ميله فرود آيد گاليله همين آزمايش را كنار دكل يك كشتي كه با سرعت ثابت حركت مي كرد انجام داد و گفت: اگر استدلال فوق صحيح باشد چون پس از رها شدن گلوله، طي مدت زمان كه طول مي كشد تا گلوله به كف كشتي برخورد كند، كشتي كمي از مكان اوليه خود حركت كرده است پس گلوله نبايد كنار دكل فرود آيد. اما گلوله رها شده از بالاي دكل كشتي در حال حركت هم، درست مانند موقعي كه كشتي ساكن است كنار دكل حركت مي كرد و كنار آن هم به كف كشتي اصابت مي كرد.

حكم گاليله
گاليله از آزمايش هايش نتيجه گرفت جسمي كه در حال حركت يكنواخت است يعني نه سرعتش تغيير مي كند و نه جهت حركتش عوض مي شود و نه تكان مي خورد همه چيز به گونه اي اتفاق مي افتد كه گويي آن جسم ساكن است. فرض كنيد در يك جعبه مسدود در فضاي دور دست، بين ستارگان هستيد، در اين صورت نمي توانيد تشخيص دهيد كه در حال حركت يا در حال سكون، چون همه چيز به گون هاي اتفاق مي افتد كه گويي در حال سكون هستيد. فرض كنيد پنجره جعبه را باز مي كنيد و مي بينيد كه جعبه ديگري به شما نزديك مي شود، شما نمي توانيد تشخيص دهيد كه واقعا آن جعبه به طرف شما حركت مي كند و يا شما به طرف جعبه ديگر حركت مي كنيد. گاليله ، چنين حكمي كرد كه تمام حركت هاي خطي و يكنواخت نسبي اند. يعني نمي توان گفت كه سرعت اين ذره 15 كيلومتر بر ساعت است و فقط مي دانيم كه اين ذره نسبت به فلان چيز (مثلاً زمين) ساكن است و يا نسبت به آن 15 كيلومتر بر ساعت سرعت دارد.

حكم گاليله در خطر
سال ها بعد دانشمندي به نام هويگنس مفهوم اتر(اثير) را به فيزيك وارد كرد اتر ماده اي بود كه تمام فضا را پر مي كرد، حتي خلاء ميان زمين و خورشيد را. مي توانست در همه ي اجسام نفوذ كند و نور از طريق آن منتشر مي شد . مي دانيم كه بدون آب، موج آب، بدون پرچم، موج پرچم، وبدون هوا صوت به وجود نمي آيد. از نظر هويگنس نور موجي بود كه در اتر به وجود مي آمد (موج اتري) و به وسيله آن منتشر مي شد، چون نور در همه جا بود پس اتر هم تمام فضا را پر كرده است، پس اتر مي توانست معيار خوبي براي سنجيدن حركت و سكون اجسام باشدو همان طور كه گفتيم قبل از اتر نمي توانستيم ذره اي را انتخاب كنيم و مطلقا و بگوييم اين ذره مطلقا ساكن است اما با راه يافتن مفهوم اتر به دنياي فيزيك چيزي كه نسبت به اتر ساكن بود مطلقا ساكن بود و چيزي كه نسبت به آن حركت مي كرد واقعا حركت مي كرد. يعني حالا شما در آن جعبه مسدود در فضا مي‌توانستيد حركت و سكون خود را نسبت به اتر بسنجيد و تشخيص دهيد كه واقعا ساكن هستيد و يا حركت مي كنيد، و اين با حكم گاليله در تناقض بود.

حكم گاليله پيروز مي شود
اگر اتر وجود داشت بايد به طريقي وجود آن اثبات مي شد. اگر در يك روز آرام سوار بر خودرويي روباز حركت كنيد.بر خورد ذرات هوا را به صورتتان احساس مي كنيد. همانطور كه گفتيم اتر، ساكن است و ما در اتر حركت مي كنيم. پس بايد نوعي باد اتري (شارش اتري) براي جسم وجود داشته باشد. به آزمايش جعبه مسدود باز مي گرديم و فرض كنيم در اتر، روبه جلو حركت مي كند. وسط اين جعبه چراغي را روشن مي كنيم، چون جعبه در حال حركت است پس يك باد اتري درون جعبه در حال وزيدن است.نور هم كه يك موج اتري است پس بايد انتظار داشته باشيم كه نور چراغ، ابتدا به عقب جعبه برسد. اما درواقع نور همزمان به جلو و عقب جعبه مي رسد. نه تنها اين آزمايش بلكه روش هاي ديگري براي آشكارسازي شارش اتر پيش بيني و انجام شد كه همه به شكست انجاميد. هم چنين آزمايش ها نشان مي دادند، چه به يك چشمه نور نزديك شويم و چه از آن دور شويم سرعت نور تغييري نمي كند و همواره ثابت است.فرض كنيد كه در يك قطار در حال حركت هستيد و تفنگي هم در اختيار داريد دست خود را از پنجره قطار بيرون مي آوريد و گلوله اي شليك مي كنيد، سرعت گلوله مي شود سرعت خروج گلوله از دهانه تفنگ به اضافه سرعت قطار. اما در مورد نور خروجي از چراغ جلوي لوكوموتيو چه انتظاري داريم؟ انتظار داريم سرعت نور خروجي از آن با سرعت قطار جمع شود (يعني سرعت نور خروجي از چراغ جلوي لوكوموتيو در حال حركت بيشتر از نور خروجي از چراغ جلوي لوكوموتيو ساكن باشد و سرعت نور با افزايش سرعت قطار افزايش يابد) اما چنين اتفاقي نمي افتد و سرعت نور چراغ جلوي لوكوموتيو چه قطار ساكن باشد و چه در حال حركت، يكسان اندازه گيري مي شود ( يعني مقدار 300.000 كيلومتر در ثانيه) توجه كنيد كه براي سرعت صوت هم چنين چيزي وجود دارد يعني اگر با سرعت به يك چشمه صوت نزديك شويم يا از آن دور شويم سرعت صوت همواره ثابت است (سرعت را با بسامد اشتباه نگيريد. چون طبق اثر دوپلر اگر به منبع صوت نزديك شويم بسامد زياد و اگر دور شويم بسامد كم مي شود.(يعني رنگ نور عوض مي شود)) اما نكته اي كه در باره صوت وجود دارد اين است كه صوت در هوا منتشر مي شود و سرعتش نسبت به هوا سنجيده مي شود، حال اين سؤال مطرح مي شودكه اين سرپيچي نور از قانون جمع سرعت هاي حاكم بر فيزيك، چگونه امكان توضيح داشت در حالي كه ديگر اثري وجود نداشت كه سرعت نور را نسبت به آن بسنجيم؟
رفته رفته بعضي دانشمندان به اين نتيجه رسيدند كه براي سازگاري با اصل بنيادي جديد بايد نظريه اصلي را تغيير بدهند. در اصل جديد به صراحت مطرح شده بود كه هيچ چيز حتي نور، نمي تواند حكم گاليله را نقض كند. هنري پوانكاره دانشمند معروف طي گفت و گويي در سنت لوئيز (ميسوري) در سال 1904 اصلاح نسبيت را براي اصل بنيادي جديد پيشنهاد كرد، اما نگفت كه چگونه مي توان فيزيك را به خاطر سازگاري با اصل بنيادي جديد تغيير داد. در سال بعد اينشتين طي مقاله اي نظريه نسبيت خود را منتشر كرد و مفاهيم و تصورات ما را از فضا و زمان كه از زمان نيوتن تا آن موقع بي تغيير مانده بود به هم ريخت.

بخش دوم- يك طرح غير عاقلانه
در بخش قبل خوانديد كه نور از قوانين جمع سرعت هاي حاكم بر فيزيك پيروي نمي كرد و تمامي تلاش هاي براي يافتن يك ماده نوررسان(اتر) كه بتوان سرعت نور را نسبت به آن سنجيد و اين ويژگي عجيب نور را قابل توضيح ساخت، به شكست انجاميد.

حال چطور مي شد اين سرپيچي نور را از قانون جمع سرعت هاي حاكم بر فيزيك را توضيح داد؟ عده اي مي گفتند اتر وجود دارد اما نمي توانيم پيدايش كنيم (آشكارش كنيم) عده اي مي گفتند بايد نو را چيز عجيب و غريبي فرض كنيم، يعني چون سرعت نور چيز عجيب و غريبي است پس خود نور هم چيز عجيب و غريبي بايد باشد. در حقيقت مشخص نبود نور واقعاچيست بعضي ها فكر مي كردند كه نور موج است و برخي آن را ذره مي دانستند.
اما اينشتين با خود گفت: «نمي دانم نور چيست و اصلاً براي من مهم نيست كه نور چه باشد. نور مهم نيست، سرعت نور مهم است.» سرعت برابر است با مسافت تقسيم بر زمان. سرعت مساوي است با واحد فضا تقسيم بر واحد زمان. پس اگر اشكالي در مورد سرعت وجود دارد، اين اشكال به فضا و زمان مربوط مي شود. شايد لازم باشد ديدگاهمان نسبت به فضا و زمان تغيير دهيم.
لوئيز ايپشتين در كتاب خود «چگونه مفاهيم نسبيت را مجسم كنيم؟» اين باره مي نويسد:«من توجه رقباي آينده اينشتين را به اين نكته جلب مي كنم كه اين راه حل اينشتين، در كل ، يك راه حل عاقلانه نيست. اگر چيزي اشكال پيدا مي كند، معمولاً اشكال آن در كجاست؟ اشكال را معمولاً بايد در جايي جست كه زودتر خراب مي شود. هنگامي كه جارو برقي روشن نمي شود معمولاً عيب آن كجاست؟ در اين مورد احتمالاً جاروبرقي اصلاً به برق وصل نشده است. تنها با ديدن جرقه ممكن است اين فكر پيش بيايد كه سيم پيچ موتور جاروبرقي خراب شده است. اگر در خانه اي بسته نشود معمولاً دو كار مي توان انجام داد. يا بايد كناره هاي در را آنقدر بتراشيم كه جا بيفتد يا به كمك يك جك بسيار بزرگ، خانه را از پي آنقدر بلند كنيم كه در بسته شود. فضا و زمان شالوده عمارت فيزيك اند. فضا و زمان زير بناي همه ي شاخه هاي فيزيك(مكانيك، ترموديناميك، الكتريسيته، مغناطيس و اپتيك) هستند. اما فقط در يكي از شاخه هاي علم فيزيك به نام اپتيك مشكل وجود دارد؛ آن هم نه در همه اپتيك بلكه فقط در سرعت نور. با اين حال، علي رغم تمام اين مشكلات، افكار اينشتين پيروز شد.»

يكي از نتايج اوليه اين نظريه اين است كه هيچ چيز نمي تواند سريع تر از سرعت نور حركت كند. براي اين كه يك انسان را به سرعتي نزديك سرعت نور برسانيم، انرژي بسيار زيادي لازم است. اما ذرات اتم(الكترون هامزون ها، پروتون ها و مانند آنها) را مي توان به راحتي توسط دستگاه هاي شتاب دهنده به سرعت هاي بالا، نزديك شرعت نور رساند. يكي از معروفترين اين شتاب دهنده ها، شتاب دهنده خطي دانشگاه استنفورد است. سرعت الكترون خارج شده از انتهاي لوله اين شتاب دهنده 999/0 C است. دادن انرژي بيشتر به الكترون، براي اين كه سرعتش از سرعت نور بيشتر شود، نتيجه اي در بر نداشت. از ديگر نتايج اين نظريه، كوتاه تر شدن طول جسمي است كه با سرعت هاي نزديك نور حركت مي كند؛ به طوري كه براي سرعت خروج 999975/0 C ،هر متر از لوله شتاب دهنده براي ناظري كه با الكترون حركت مي كند، 1/7 ميلي متر به نظر مي رسد. نتيجه ديگري كه نسبيت به دست مي دهد، افزايش جرم جسمي است كه با سرعت هاي بسيار بالا نزديك سرعت نور حركت مي كند. همچنين كند كار كردن ساعت هاي در حال حركت يكي ديگر از نتايج است كه آزمايش ها اين دو نتيجه را نيز تأييد كرده اند. توجه داشته باشيد كه اين نتايج در سرعت هاي بسيار بالا به دست مي آيد و نظريه نسبيت در سرعت هاي بسيار كم (سرعت هايي كه روزانه با آن ها سروكار داريم) همان نتايجي را به دست مي دهد كه فيزيك كلاسيك به دست مي دهد. به عبارت ديگر، كاهش ظول جسم، افزايش جرم و كند كار كردن ساعت ها در سرعت هاي بسيار كم ، آن قدر جزئي و كوچك است كه كاملاً قابل چشم پوشي است.
مطالبي كه در اين بخش خوانديد به «نظريه نسبيت خاص» معروف است كه به توصيف رفتار ذرات در سرعت هاي بسيار بالا مي پردازد. تاكنون هيچ نظريه اي به اندازه نسبيت خاص با دقت و جديد آزموده نشده است. در اين ميان مي توان از شتاب دهنده هاي ذرات نام برد. اين شتاب دهنده ها با استفاده از قوانين نسبيت خاص در زمينه مهندسي و فناوري ساخته مي شوند. شتاب دهنده اي كه بر اساس مكانيك نيوتوني طراحي شود كارآيي نخواهد داشت. همچنين بايد بدانيم كه در حوزه فيزيك ذرات، نسبيت حاص براي حل مسائل مكانيكي كاملاً ضروري است. اما بسياري از اين نتايج بر پايه تجارب روزانه معقول به نظر نمي رسد. حتي ظاهراً با عقل سليم نيز متناقض است، اين مشكل هنگامي حل مي شود كه بدانيم زمينه هاي تجربي عقل سليم محدود است و تجربيات ما ، محدود به سرعت هايي است كه بسيار كوچكتر از سرعت نوراند. در حقيقت ما هيچ تجربه شخصي در حوالي سرعت هاي نزديك به سرعت نور نداريم.
اما نظريه نسبيت عام چيست؟ اينشتين در نظريه نسبيت عام به برسي جاذبه مي پردازد و علت جاذبه را خمش فضا زمان معرفي مي كند.
اين موضوعي است كه در بخش زير به آن خواهيم پرداخت.

بخش سوم- وقتي فضا زمان در هم مي پيچد
در بخش قبل خوانديد كه آلبرت اينشتين براي قابل توضيح ساختن ويژگي هاي غير عادي نور، نظريه اي را ابداع كرد كه ماهيت فضا و زمان را به كل تغيير داد. آن نظريه، «نسبيت خاص» ناميده مي شود. اين شماره به تلاش هاي بعدي اينشتين مي پردازيم كه در قالب نظريه «نسبيت عام» مطرح شده است.

اين تصور كه جاذبه باعث سقوط نور مي شود. به سيمون لاپلاس اختر شناس برمي گردد. بر اساس همين ديدگاه دانشمند نقشه برداري به نام جان سولدنر، در سال 1800 ميلادي مقدار انحراف نوري را كه از كنار خورشيد يا زمين عبور مي كرد محاسبه كرد. با اين حال، اين نگرش فيزيك تا سال 1906 كه معلوم شد تمامي انواع انرژي (از جمله نور) جرم دارند، مسكوت ماند. از آنجا كه داشتن «جرم» به معناي داشتن «وزن» است، و وزن هم سقوط مي كند، پس نور هم سقوط مي كند، اما همين يافته، اينشتين را با يك معماري عميق تر روبرو كرد.

اينشتين گفت همچنان كه در يك ميدان گرانشي پايين مي رويد ( مثلاً از بالاي يك برج بسيار بلند پايين مي آييد)، سرعت گذر زمان كاهش مي يابد. (توجه داشته باشيد اين كند شدن زمان متفاوت از كند شدن زماني است كه در قسمت قبل به آن اشاره شد. كند شدن زمان در اينجا بر اثر گرانش است و كند شدن زمان در قسمت قبل مربوط به حركت با سرعت هاي بسيار زياد.)

اما فضا زمان خميده چيست؟ مثال زير مي تواند به درك اين پديده كمك كند. سه سياره در اطراف خورشيد در نظر بگيريد. پرتو نوري كه از كنار خورشيد مي گذرد بر اثر جاذبه خورشيد منحرف مي شود و اختر شناساني كه در اين سه سياره سكونت دارند، مجموعه زاويه هاي داخلي مثلث حاصل را بزرگ تر از 180 درجه انداز خواهند گرفت. اما خط مستقيم چيست؟ تنها تعريف معقول و منطقي براي خط مستقيم « بيان آن با «خط ديد» است. اما خط ديد، خط انتشار نور است در فضاي تهي. مي توان خط مستقيم را «كوتاه ترين فاصله ميان دو نقطه» نيز تعريف كرد، اما تمام علم فيزيك بر اين فرض مسلم مبتني است كه نور هميشه كوتاه ترين راه را انتخاب مي كند.اگر درباره اين مواردبه دقت انديشه كنيم، پي مي بريم كه هيچ راه منطقي ديگري براي تعريف خط مستقيم وجود ندارد.
اينشتين زمان را چهارمين رفيق سه مختصات فضايي (طول، عرض و ارتفاع) در نظر گرفت و گفت نيروي گرانش (نيرويي كه باعث سقوط سيب به سمت زمين مي شود) در اثر انحناي اين جهان چهار بعدي ايجاد مي شود. بدين ترتيب، گرانش تعبيري هندسي يافت.اما نيرو هاي الكتريكي و مغناظيسي هنوز خارج از حيطه حكمراني هندسه مانده بودند و اينشتين كه تا اين انداره پيشرفت كرده بود، تمام تمركز خود را روي اين گذاشت كه بر ميدان الكترومغناطيسي سركش نيز يك مهار سخت هندسي بزند. كدام خاصيت هندسي در فضاي چهار بعدي ( كه تاكنون نامكشوف مانده) وجود دارد كه بتواند جوابگوي اعمال متقابل الكتريكي و مغناطيسي باشد؟ اينشتين و بسياري از تماشاگران علاقه مند، نهايت كوشش خود را به كار بردند تا به ميدان الكترومغناطيسي يك تعبير صرفاً هندسي بدهند. اينشتين حدود چهل سال ، يعني تا زمان مرگ در سال 1955، روي «نظريه ميدان يكنواخت» كاركرد. اين نظريه كه «نظريه ميدان هاي يگانه» هم خوانده مي شود، ميدان هاي الكترو مغناطيسي و گرانشي را بر يك مبناي هندسي واحد با هم متحد مي كند. هرچه زمان بيشتر مي گذشت، بيش از پيش دشواري اين كار معلوم مي شد. گاه به گاه اينشتين روابط تازه اي مي يافت كه به اعداي وي بايد براي حل معماري نظريه ميدان يكنواخت به كار مي رفت؛ واين روابط(فرمول ها) در صفحه اول روزنامه هاي معروف دنيا چاپ مي شد. اما هميشه معلوم مي شد كه روابط كشف شده نارسا هستند و تا كشف بعدي دوباره سكوت برقرار مي شد. دانشمندان فيزيك نظري، از پير و جوان، اعتماد خود را نسبت به اين موضوع كه ميدان الكترو مغناطيسي يك تعبير صرفاً هندسي دارد، به تدريج از دست دادند. نمي توان طبيعت را مجبور به كاري كرد كه با مذاقش سازگار نيست! اينشتين هم رفته رفته درباره اين نظريه خود آزرده خاطر شده بود و با اكراه درباره آن با اين حال نظريه نسبيت عام، صرف نظر از اينكه بتوان ميدان هاي الكترومغناطيسي و گرانشي را بر پايه هندسي واحد متحد ساخت يا نه، معتبر ترين توضيحي است كه تاكنون در مورد منشا گرانش بيان شده است. تابش زمينه كيهاني، تپ اخترها، سياه چاله ها و ... همه و همه پديده هايي هستند كه نسبيت عام در آنها به نحوي اساسي دخيل است. وجود سياهچاله هاي فضايي يكي از پيش بيني هاي مهم نسبيت عام است؛ تابش زمينه كيهاني كه به احتمال زياد بازمانده مه بانگ است، رويدادي است كه فهم آن نيازمند نظريه نسبيت عام است؛ و ساختار تپ اختر ها(ستاره هاي نوتروني تند و چرخان) به شدت تحت تاثير نيروهاي بسيار قوي نسبيت عام است. امروزه نظريه نسبيت عام ابزاري ضروري در دست اختر شناسان و اختر فيزيكدانان بزرگ مقياس عالم استفاده مي كنند.
... سرانجام در سال 1921 ميلادي جايزه نوبل فيزيك به اينشتين اعطا شد. اما جالب است بدانيد كه دليل اصلي اعطاي اين جايزه نه ارئه نظريه نسبيت، كه به خاطر كشف قانون فتوالكتريك بود!

اينشتين تمام تمركز خود را روي اين نكته گذاشت كه بر ميدان الكترومغناطيس سركش، يك مهار سخت هندسي بزند. او چهل سال روي اين نظريه كار كرد!

تايپ و ويراستاري: مسعود سروري
مديريت وبلاگ علم و فناوري

منبع : دانشمند

 بمب هسته اي

منبع : روزنامه شرق

 کاربرد فراصوت در صنعت

علم صوت - به معناي وسيع کلمه - توليد و تراگسيل و دريافت انرژي به صورت ارتعاش در ماده است. اگر اتمها و ملکولهاي شاره يا جامد از اوضاع طبيعي خود تغيير مکان يابند، نيروي الاستيک در آن پديد مي ايد که مربوط به سختي جسم است و می‌خواهد جسم را به حالت نخست باز گرداند. اين نيرو را «نيروي برگرداننده» مي گويند. تأثير اين نيروي الاستيک برگرداننده توأم با خاصيت اينرسي دستگاه ماده را براي ارتعاشهاي نوساني و در نتيجه تراگسيل موجهاي آکوستيکي مناسب می‌سازد. امواج صوتي امواجي مادي است که ممکن است طولي و هم عرضي باشد. در شاره ها، به صورت طولي است؛ و در محيطهاي ديگر هم به صورت طولي و هم به صورت عرضي است؛ يعني به فرض اگر صوت وارد ماده اي جامد شود، به موج طولي و عرضي با سرعتهاي متفاوت تجزيه می‌شود.

امواج فراصوت را می‌توان به روشهاي مکانيکي و الکتريکي و مغناطيسي توليد کرد. ابزار مکانيکي توليد فرا صوت عبارت است از:
سيرن ، مولد الکتريکي ، مولد مغناطيسي، نوسانگر پيزو الکتريک، نوسانگر مانيتواستريکتيو

 که درباره برخي از آنها که کاربرد وسيعي دارند شرح مختصري می‌دهيم.

کاربرد فرا صوت در توليد آلياژها:
از امواج فرا صوت مي توان در به هم آميختن فلزات براي توليد آلياژهاي مناسب بهره گرفت. روش استفاده به اين ترتيب است که - به نسبتي که مي خواهيم آلياژ تهيه کنيم - فلزات مذاب را روي هم مي ريزيم و آنها را در مسير امواج با طول موج زياد قرار مي دهيم. در اين صورت، جنبش ملکولي ذرات افزايش مي يابد و فلزات با هم مي آميزند و در همين موقع است که مخلوط را بتدريج سرد مي کنند و آلياژ مورد نظر را به دست مي آورند.

«اشميد» و «ارت»، فيزيکدانان آلماني، از آزمايشهاي خود درباره به هم آميختن فلزات به نتايج جالبي رسيدند. آنها با عبور دادن فرا صوت از دو فلز سرب و آلومينيوم آلياژي تهيه کردند که کارايي چکش خواري و مفتول شدن آن بسيار زياد بود. آنها توانستند سرب را به نسبت 25% در آلومينيوم پخش کنند. دانه هاي سرب پخش شده در آلومينيوم قطري در حدود 50 ميکرون خواهد داشت.

تشخيص شکاف و حفره در فلزات:
پيش از اين، پرتو ايکس را براي تشخيص ترکيدگي و وجود حفره هايي هوايي در فلزات به کار مي برند؛ ولي در مورد قطعات خيلي ضخيم فلزات استفاده از اين پرتو عملي نيست؛ زيرا پرتو ايکس جذب فلزات مي شود، اما با استفاده از امواج فرا صوت با طول موج بالا مي توان محل شکاف يا حباب هوا را مشخص کرد.

سوراخ کردن مواد سخت:
چنانچه امواج فرا صوت با طول موج بالا را در نقطه اي خاص از فلز و يا بلوري متمرکز کنيم، انرژي اين امواج سبب بالا رفتن دماي آن نقطه مي شود و - در نتيجه - آن نقطه ذوب مي شود و به آساني سوراخ مي گردد. براي سوراخ کردن مواد سخت، مته هاي مخصوص به کار مي برند. در اين مته ها، سر مته حرکت دوراني ندارد و تنها نوسان مي کند.

ساير کاربردهاي فرا صوت در صنعت:
علاوه بر موارد بالا، امواج فرا صوت را براي تعيين ضخامت فلزي در موقع کار و نيز جوش دادن فلزات و نيمه هادي ها به کار مي برند. بعضي از انواع جوشکاري فقط با اين امواج امکانپذير است. براي نمونه، در کپسولهاي فضايي بدنه داخلي از فولاد کرم نيکل و بدنه خارجي از آلومينيوم است که اين دو قطعه به کمک امواج فرا صوت انجام مي شود.

منبع :تله تكست سيماي جمهوري اسلامي ايران

فيزيك پلاسما

مي دانيم كه براي ماده سه حالت جامد، مايع و گاز در نظر گرفته مي شود. اما در مباحث علمي معمولاً يك حالت چهارم نيز براي ماده فرض مي شود. حدوث طبيعي پلاسما در دما هاي بالا، سبب تخصيص عنوان چهارمين حالت ماده به آن شده است. يك نمونه بسيار طبيعي از پلاسما آتش است بنابراين خورشيد نمونه اي از پلاسماي داغ بزرگ است.

تعريف پلاسما
پلاسما گاز شبه خنثايي از ذرات باردار و خنثي است كه رفتار جمعي از خود ارائه مي دهد. به عبارت ديگر مي توان گفت كه واژه پلاسما به گاز يونيزه شده اي اطلاق مي شود كه همه يا بخش قابل توجهي از اتم هاي آن يك يا چند الكترون از دست داده و به يون هاي مثبت تبديل شده باشند. يا به گاز به شدت يونيزه شده اي كه تعداد الكترون هاي آزاد آن تقريبا برابر با تعداد يون هاي مثبت آن باشد، پلاسما گفته مي شود.

حدود پلاسما
اغلب گفته مي شود كه 99 درصد ماده موجود در طبيعت در حالت پلاسما است. يعني به شكل گاز الكتريسيته داراي كه اتم هايش به يون هاي مثبت و الكترون منفي تجزيه شده باشند. اين تخمين هرچند ممكن است خيلي دقيق نباشد ولي تخمين معقولي است از اين واقعيت كه در درون ستارگان و جو آن ها ابرهاي گازي و اغلب هيدروژني فضاي بين ستارگان به صورت پلاسماست. در نزديكي خود ما وقتي كه جو زمين را ترك مي كنيم بلافاصله با پلاسما يي مواجه مي شويم كه شامل كمربندهاي تشعشعي وان آلن و بادهاي خورشيدي است. در زندگي روزمره نيز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه مي شويم: جرقه، رعد و برق، تابش ملايم شفق قطبي، گازهاي داخل يك چراغ فلوروسانس يا چراغ نئون و يونيزاسيون مختصري كه در گازهاي خروجي يك موشك ديده مي شود. بنابراين مي توان گفت كه ما در يك درصدي از عالم زندگي مي كنيم كه در آن پلاسما به طور طبيعي يافت نمي شود.

آيا كلمه پلاسما يك كلمه با مسما است؟
كلمه پلاسما ظاهراً بي مسما به نظر مي رسد اين كلمه از يك لغت يوناني آمده است كه هرچيز به قالب ريخته شده يا ساخته شده را گويند. پلاسما به علت رفتار جمعي كه از خودشان نشان مي دهد گرايش متاثر شده در اثر عوامل خارجي ندارد و اغلب طوري عمل مي كند كه گويا داراي رفتار مخصوص به خود است.

حفاظ دباي
يكي از مشخصات اساسي رفتار پلاسما توانايي آن براي ايجاد حفاظ در مقابل پتانسيل هاي الكتريكي است كه به آن اعمال مي شود . فرض كنيم بخواهيم با وارد كردن دو گلوله بارداري كه به يك باتري وصل شده اند يك ميدان الكتريكي داخل پلاسما به وجود آوريم اين گلوله ها ذرات باردار مخالف خودرا جذب مي كنند. و تقريباً بلافاصله ابري از يون هاي اطراف گلوله منفي و ابري اطراف گلوله مثبت را فرا مي گيرند. اگر پلاسما سرد باشد و هيچگونه حركت حرارتي وجود نداشته باشد تعداد بار ابر برابر بار گلوله مي شود در اين صورت عمل حفاظ كامل مي شود و هيچ ميدان الكتريك در حجم پلاسما در خارج از ناحيه ابرها وجود نخواهد داشت اين حفاظ را اصطلاحاً حفاظ دباي مي گويند.

معيار هاي پلاسما
طول موج دباي (لاندادي) بايد خيلي كوچكتر از ابعدا پلاسما (L) باشد تعداد ذرات موجود در يك كره دباي (MD) بايد خيلي بزرگتر باشد. حاصلضرب بسامد نوسانات نوعي پلاسما (W) در زمان متوسط بين برخورد هاي انجام شده با اتم هاي خنثي (t) بايد بزرگتر از يك باشد.

كاربردهاي فيزيك پلاسما
-تخليه هاي گازي: قديم ترين كار با پلاسما مربوط به لانگمير، تانكس و همكاران آن در سال 1920 مي شود . تحقيقات در اين مورد از نيازي سرچشمه مي گرفت كه براي توسعه لوله هاي خلائي كه بتوانند جريان هاي قوي را حمل كنند و درنتيجه مي بايست از گاز هاي يونيزه پرشوند احساس مي شد.
-همجوشي گرما هسته اي تنظيم شده: فيزيك پلاسماي جديد از حدود 1952 كه در آن ساختن راكتوري بر اساس تنظيم همجوشي بمب هيدروژني پيشنهاد شد آغاز مي شود.
-فيزيك فضا: كاربرد مهم ديگر فيزيك پلاسما مطالعه فضاي اطراف زمين است كه جريان هاي پيوست هاي از ذرات باردار كه باد خورشيدي خوانده مي شود مگنتوسفر زمين برخورد مي كند درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند كه مي توانند در حالت پلاسما باشند.
-تبديل انرژي مگنتو هيدروديناميك (MHD) و پيش رانش يوني: دو كاربرد عملي فيزيك پلاسما در تبديل انرژي مگنتو هيدروديناميك، از يك فواره غليظ پلاسما كه به داخل يك ميدان مغناطيسي پيش رانده مي شود مي باشد.
-پلاسماي حالت جامد: الكترون هاي آزاد و حفره ها در نيمه رساناها، پلاسمايي را تشكيل مي دهند كه همان نوع نوسانات و ناپايداري هاي يك پلاسماي گازي را عرضه مي دارد.
-ليزرهاي گازي: عاديترين پمپاژ (تلمبه كردن) يك ليزر گازي، يعني وارونه كردن جمعيت حالاتي كه منجر به تقويت نور مي شود، استفاده ازتخليه گازي است.

شايان ذكر است كه كاربردهاي ديگري مانند چاقوي پلاسما، تلويزيون پلاسما، تفنگ الكتروني، چراغ پلاسما و غيره نيز وجود دارد كه در اين جا فقط كاربردهاي پلاسما در حالت كلي بيان شده است.

تايپيست: مسعود سروري- www.elm-sarvari.blogfa.com

نقل از :دانشمند، س44 ش511 ص28

انرژي هسته اي چگونه به برق تبديل مي شود-رام كردن اتم هاي سركش

امروزه حدود 17 درصد از برق دنيا را نيروگاه هاي هسته اي تامين مي كنند. بعضي از كشورها حتي خيلي بيشتر به اين منبع انرژي وابسته اند. به عنوان مثال ،بر اساس آمار رسمي آژانس بين المللي انرژي اتمي، كشور فرانسه 75 درصد از برق خود را از طريق نيروي هسته اي تامين مي كند. همچنين در ايالات متحده آمريكا حدود 15 درصد از برق كشور از انرژي هسته اي تامين مي شود كه اين عدد در بعضي ايالات بيشتر است. در مجموع، حدود 400 نيروگاه هسته اي در دنيا وجود دارد كه از ميان آن ها، بيش از 100 نيروگاه در ايالات متحده آمريكا واقع هستند. در اين مقاله به بررسي چگونگي كاركرد يك نيروگاه هسته اي و قلب آن كه در واقع رآكتور هسته اي است، مي پردازيم و در مورد شكافت هسته اي صحبت مي كنيم.

اورانيوم يكي از عناصر كمياب در كره زمين است كه در زمان شكل گيري اين سياره با ديگر عناصر تشكيل دهنده آن تركيب شده است. درواقع ، اورانيوم از عناصر تشكيل دهنده ستارگان است. با انفجار ستارگان كهن سال و تجمع دوباره ذرات منهدم شده آن ها سياراتي مانند كره زمين شكل گرفته است و به همين دليل در اين سيارات نيز اورانيوم وجود دارد. اورانيوم-238 (238-U) به علت دارا بودن نيمه عمر بسيار طولاني (5/4 ميليارد سال) ، هنوز به شكل توده هاي بزرگي در اين سياره يافت مي شود. 238-U كه يكي از ايزوتوپ هاي اورانيوم است، بيشترين فراواني را در بين انواع ديگر اورانيوم دارد (حدود 99درصد). 235-U حدود 7 درصد از اورانيوم جهان را شامل مي شود و 234 -U كه از واپاشي 238-U به دست مي آيد، حتي از بقيه هم ناياب تر است.(با واپاشي اورانيوم-238 در طي مراحل فراوان كه به آن واپاشي آلفا و بتا مي گويند، ايزوتوپ پايدار سرب به دست مي آيد و 234-U‌ نيز يكي از حلقه هاي اين واكنش زنجيره اي است.)
اورانيوم-235 با داشتن برخي ويژگي هاي جالب هم در صنايع انرژي هسته اي و هم در ساخت بمب اتمي كاربرد دارد. 235-U به طور طبيعي وا مي پاشد و 238-U تحت تابش پرتو آلفا دچار واپاشي مي شود. 235-U يكي از معدود موادي است كه مي توان از آن در شكافت هسته اي استفاده كرد.اگر يك نوترون آزاد (ذره بدون بار الكتريكي) وارد هسته 235-U شود، 235-U داوطلبانه اين نوترون را جذب كرده و به ناپايداري شيميايي رسيده و بلافاصله دچار شكافت هسته اي مي شود.

شكافت هسته اي
همانطور كه توضيح داده شد، با نزديك شدن يك نوترون به هسته اورانيوم-235 ، اين نوترون جذب هسته شده و بلافاصله هسته به دو اتم كوچك تر شكسته مي شود و دو يا سه نوترون آزاد رها مي كند. (تعداد اين نوترون ها بستگي به نوع شكسته شدن اورانيوم دارد.) جدا شدن اين دو اتم جديد موجب ساطع شدن پرتو گاما مي شود. در اين فرايند سه نكته قابل توجه وجود دارد:
1-احتمال جذب نوترون آزاد توسط 235-U بسيار بالا است. به همين دليل در رآكتورها، نوترون هاي آزاد شده در هر واكنش خود عامل ايجاد واكنش هاي بعدي مي شوند.
2- عمليات جذب نوترون آزاد و شكست هسته، بسيار سريع و در كسر كوچكي از ثانيه اتفاق مي افتد (^12-10×1 ثانيه).
3- در فرايند شكست اتم، مقا دير بسيار زيادي انرژي به صورت حرارت و پرتو گاما آزاد مي شود. اتم هاي جديد توليد شده، خود پرتو بتا و گاما وتوليد مي كنند. دليل توليد اين مقدار انرژي بسيار ساده است. وزن اتم ها و نوترون هاي جديد توليد شده، كمتر از اتم اوليه 235-U است ، و اين اختلاف جرم اوليه با محصول، تبديل به انرژي شده است. مقدار اين انرژي بر اساس رابطه مشهور انرژي كه به آن رابطه تناسب اينشتين نيز گفته مي شود به دست مي آيد: ² E=mc .

تايپيست: مسعود سروري- www.elm-sarvari.blogfa.com

نقل از :دانشمند، س45 ش523 صص48-50