این وبلاگ مطالب جامع و جالبی درباره فیزیک دبیرستان دارد و همانطور که از عنوان آن پیداست"اين وبلاگ سعي دارد به آموزش فيزيک دبيرستان بپردازد". برای کسانی که به آموزش از طریق آنلاین علاقه دارند یا به دنبال مطالب و موضوعهای جانبی در درس فیزیک می گردند (مانند المپیاد فیزیک) مطالب بسیاری در آن یافت می شود.

آدرس وبلاگ:

چگونه مي‌توان با يك فشارسنج ارتفاع يك آسمان‌خراش را محاسبه كرد؟

پاسخ يك دانشجو: يك نخ بلند به گردن فشارسنج مي‌بنديم و آن را از سقف ساختمان به سمت زمين مي‌فرستيم. طول نخ به اضافه طول فشارسنج برابرارتفاع آسمان‌خراش خواهدبود.

اين پاسخ ابتكاري چنان استاد را خشمگين كرد كه دانشجو را رد كرد!!!....

دانشجو با پافشاري بر اينكه پاسخش درست است به نتيجه امتحان اعتراض كرد.دانشگاه يك داور مستقل را براي تصميم درباره اين موضوع تعيين كرد. داور دانشجو را خواست و به او شش دقيقه وقت داد تا راه حل مسئله را به طور شفاهي بيان كند تا معلوم شود كه با اصول اوليه فيزيك آشنايي دارد. دانشجو پنج دقيقه غرق تفكر ساكت نشست. داور به او يادآوري كردكه وقتش درحال اتمام است. دانشجو پاسخ داد كه چندين پاسخ مناسب دارداما ترديد دارد كدام را بگويد. وقتي به او اخطار كردند عجله كند چنين پاسخ داد :

*اول اينكه مي‌توان فشارسنج را برد روي سقف آسمان‌خراش، آنرا از لبه ساختمان پائين انداخت و مدت زمان رسيدن آن به زمين را اندازه گرفت. ارتفاع ساختمان مساوي يك دوم g ضربدر t به توان دو خواهد بود.اما بيچاره فشارسنج ."

*يا اگر هوا آفتابي باشد مي‌توان فشارسنج را عمودي بر زمين گذاشت و طول سايه‌اش را اندازه گرفت.. بعد طول سايه آسمان‌خراش را اندازه گرفت و سپس با يك تناسب ساده ارتفاع آسمان‌خراش را بدست آورد ."

*اما اگر بخواهيم خيلي علمي باشيم، مي‌توان يك تكه نخ كوتاه به فشارسنج بست و آنرا مثل يك پاندول به نوسان درآورد، نخست در سطح زمين وسپس روي سقف آسمان‌خراش. ارتفاع را از اختلاف نيروي جاذبه مي‌توان محاسبه كرد T = 2 pi sqroot (l / g)

*يااگر آسمان‌خراش پله اضطراري داشته باشد، مي‌توان ارتفاع ساختمان را با بارومتر اندازه زد و بعد آنها را با هم جمع كرد."

*البته اگر خيلي گير و اصولگرا باشيد مي‌توان از فشارسنج براي اندازه‌گيري فشار هوا در سقف و روي زمين استفاده كرد و اختلاف آن برحسب ميلي‌بار را به فوت تبديل كرد تا ارتفاع ساختمان بدست آيد."

* ولي چون هميشه ما را تشويق مي‌كنند كه استقلال ذهني را تمرين كنيم و از روش‌هاي علمي استفاده كنيم، بدون شك بهترين روش آنست كه در اتاق سرايدار را بزنيم و به اوبگوييم: اگر ارتفاع اين ساختمان را به من
بگويي يك فشارسنج نو و زيبا به تو مي‌دهم ."

اين دانشجو كسي نبود جز نيلز بور،تنها دانماركي كه موفق شد جايزه نوبل در رشته فيزيك را دريافت كند!!

تقريباً همه‌ي کسانی که فيزيك می خوانند، خود را در اين انديشه مي‌يابند كه "من مفهوم‌ها را مي‌فهمم اما فقط نمي‌توانم مسئله‌ها را حل كنم." حال آن‌ كه در فيزيك درك واقعي يك مفهوم يا اصل با توانايي در به كار بردن آن اصل در خصوص مسئله‌هاي عملي گوناگون يكي است. فراگيري چگونگي حل مسئله‌ها اهميت اساسي دارد ؛ شما فيزيك نمي‌دانيد ، مگر آن كه بتوانيد آن را به كار بريد.

هر چند براي حل نوع‌هاي مختلف مسئله‌هاي فيزيك به روش‌هاي متفاوتي نياز داريم ، با این وجود و صرفنظر از نوع مسئله‌اي كه در دست داريم ، مرحله‌هاي كليدي مسلمي وجود دارند كه بايد همواره آن‌ها را مراعات كنيم. (همين مرحله‌ها در حل مسئله‌هاي رياضي ، شيمي و بسياري از زمينه‌هاي ديگر به همين اندازه سودمندند.) در ادامه اين مرحله‌ها را در چهار قسمت براي حل مسئله مرتب كرده‌ايم.

مرحله ی اول: شناسايي  مفهوم‌هاي مناسب .    نخست تصميم بگيريد كه چه مفهوم‌هاي فيزيكي به مسئله مربوط‌اند ، اگرچه در اين مرحله هيچ محاسبه‌اي وجود ندارد با اين وجود گاهي بحث‌انگيزترين بخش راه حل مسئله همين مرحله است. ولي اين مرحله را از قلم نيندازيد ، زيرا انتخاب رهيافت اشتباه در آغاز ، مسئله را از آن چه كه هست مشكل‌تر مي‌كند و چه بسا به پاسخ نادرست مي‌انجامد.

در اين مرحله بايد متغير هدف مسئله ـ يعني كميتي را كه سعي در يافتن مقدار آن داريد شناسايي كنيد. اين كميت مي‌تواند سرعت برخورد يك پرتابه به زمين ، شدت صوت حاصل از آژير يا اندازه‌ي تصوير حاصل از يك عدسي باشد. (گاهي هدف به جاي يك مقدار عددي يافتن يك عبارت رياضي است. گاهي نيز مسئله بيش از يك متغير هدف دارد.) متغير هدف مقصد فرايند حل مسئله است ؛ در حين اجراي راه حل اين مقصد را از نظر دور نداريد.

مرحله ی دوم:  آمادگي  براي حل مسئله.   بر اساس مفهوم‌هايي كه در مرحله‌ي شناسايي برگزيده‌ايد ، معادله‌هايي را كه براي حل مسئله به كار خواهيد برد انتخاب كنيد و تصميم بگيريد كه آن‌ها را چگونه به كار خواهيد برد. اگر مناسب باشد طرحي از وضعيتي كه توسط مسئله توصيف شده است بكشيد.

مرحله ی سوم:  اجرا  براي راه حل.  در اين مرحله رياضيات مسئله را انجام دهيد. پيش از آن كه دست به كار انبوهي از محاسبه‌ها شويد فهرستي از همه‌ي متغيرهاي معلوم و مجهول تهيه كنيد و توجه داشته باشيد كه كدام متغير يا متغيرهاي هدف‌اند. سپس معادله‌ها را حل كنيد و مجهول‌ها را به دست آوريد.

مرحله ی چهارم: ارزيابي  پاسخ شما.   مقصود از حل مسئله‌ي فيزيك تنها به دست آوردن يك عدد يا يك فرمول نيست ؛ مقصود آن است كه درك بهتري حاصل شود. به اين معنا كه بايد پاسخ را بيازماييد و دريابيد كه به شما چه مي‌گويد. فراموش نكنيد كه از خود بپرسيد "آيا اين پاسخ با معناست؟" اگر متغير هدف شما شعاع كره‌‌ي زمين باشد و پاسخ شما 38/6 سانتيمتر شده باشد (يا يك عدد منفي باشد!) بايد چيزي در فرايند حل مسئله‌ي شما نادرست باشد. بازگرديد و كار خود را امتحان كنيد و راه حل را بر حسب نياز اصلاح كنيد.

مرجع: فیزیک دانشگاهی / یانگ ، فریدمن ، سرز و زیمانسکی / ویرایش دوازدهم(2008) جلد اول این کتاب (شامل: مکانیک، شاره ها، موج و گرما)  با ترجمه ی اعظم پورقاضی، روح الله خلیلی بروجنی، محمد تقی فلاحی  و ویراستاری ناصر مقبلی تا دی ماه 1388 توسط نشر علوم نوین منتشر می شود.

روح الله خلیلی بروجنی مهرماه 1388

 

به نقل از سایت:

ماده، عناصر و اتم­ها

  همة مواد از تعداد محدودي عنصر (تا كنون 105 عنصر شناخته شده) كه متشكل از اتم­هاست، ساخته شده‌‌اند. اتم كوچكترين بخش يك عنصر با حفظ  كلية خواص شيميايي آن عنصر است. به‌طور كلي، اتم­ها از نظر الكتريكي خنثي مي‌باشند و از ذرات الكترون‌، پروتون‌ و نوترون‌، تشكيل شده‌اند. الكترون ذره­اي با بار ^19-10× 6/1- كولمب و جرم ^27-10 × 91/0 گرم است. پروتون داراي بار مثبت و مساوي الكترون است. نوترون فاقد بار الكتريكي و قدري سنگين­تر از پروتون است. جرم پروتون و نوترو‌‌‌‌‌‌ن به ترتيب ^24-10 ×6726/1 و   ^24-10 × 6747/1 گرم و تقريباً دوهزار مرتبه سنگين‌تر از الكترون هستند.

ساختمان سادة يك اتم

‌‌‌عدد اتمي(z) يعني تعداد پروتون­هاي يك اتم، جايگاه عنصر در جدول تناوبي و خواص شيميايي آن‌را مشخص مي‌سازد. طبق نظريه بوهر، الكترون­ها، پروتون­ها و نوترون­ها آرايشي مشابة سيارات دارند كه پروتون­ها و نوترون­ها شبيه خورشيد در وسط و الكترون­ها بر روي سطوح كروي در شعاع­هاي مختلف نظير سيارات  به دور آن­ها در گردشند. نوترون­ها و پروتون­ها در مركزي به نام هسته، شبيه كره‌‌اي  فشرده قرار دارند. قطر اتم عناصر مختلف از يك تا دو آنگستروم متغير است. قطر هسته‌ بسيار كوچكتر از اتم است( حدود 10⁵ مرتبه كوچكتر). نيروي جاذبة الكتريكي بار مثبت هسته‌ها و بار منفي‌الكترون­ها سبب چرخش پايدار الكترون­ها در لايه‌هاي كروي مي‌شود.  اولين لايه (كوچكترين شعاع) لاية K و لايه­هاي بعدي L ، M  و … ناميده‌ مي‌شود. در هر لايه تعدادي محدود الكترون وجود دارد. لايةK  حداكثر 2، لاية L  8 ، لاية M  18 و لاية N  32 الكترون مي‌تواند داشته باشد؛ با اين وجود لاية خارجي هر اتم نمي‌تواند بيش از 8 الكترون داشته باشد. در اتم هيدروژن، در شرايط طبيعي الكترون در لاية  K قرار دارد. آرايش الكترون­هاي اتم يد با 53 الكترون در لايه‌هاي K، L ، M ،N و O به ترتيب 2 ، 8 ، 18 ، 18 و 7 الكترون است.

مولكول­ها

  مولكول­ها تركيبي از دو اتم يا بيشتر است مثلا مولكول آب، تركيبي از دو اتم هيدروژن و يك اتم اكسيژن است. تركيب اتم­ها ناشي از برهمكنش الكترون­هاي لاية آخر ( الكترون­هاي ظرفيت ) است. الكترون­هاي ظرفيت در شكل‌گيري مولكول­ها به چند روش مشاركت دارند؛ براي مثال، اتصال يوني، اشتراكي و هيدروژني. به‌طور نظري، بيشتر واكنش­هاي شيميايي و خواص فيزيكي اتم­ها و مولكول­ها براساس برهمكنش الكترون­هاي ظرفيت، قابل تفسير است.

انرژي بستگي، يونسازي و برانگيختگي

  هر الكترون در يك لايه با انرژي ثابتي به هسته متصل است. بنابراين براي خروج الكترون از لاية خود و رهايي از قيد هسته، احتياج به انرژي دارد. حداقل انرژي لازم براي رهايي الكترون، انرژي بستگي الكترون ناميده مي‌شود. واحد انرژي در مقياس اتمي، الكترون ولت(ev) و آن انرژي الكتروني است كه تحت اختلاف پتانسل يك ولت شتاب مي‌گيرد. الكترون لاية K محكم­ترين الكترون در اتم  و براي خروج از اتم به بيشترين انرژي نياز دارد ( رهايي الكترون از اتم، يونسازي ناميده مي‌شود). الكترون­هاي لاية آخر كمترين وابستگي به اتم و براي خروج ازآن نيازمند كمترين انرژي است. انرژي بستگي الكترون در لايه‌هاي مختلف با عدد اتمي افزايش مي‌يابد. جدول 1-1 متوسط انرژي بستگي الكترون در اتم عناصر مختلف را نشان مي‌دهد. به‌طور طبيعي الكترون­ها نزديكترين لايه‌هاي اتم را اشغال مي‌كنند و با جذب انرژي، موقتاً به‌ لايه‌هاي بالاتر (لايه هاي خالي) تحريك مي‌شوند. جذب انرژي به‌روش­هاي مختلف صورت مي‌گيرد؛ براي مثال، گرم كردن ماده، قرار دادن در ميدان الكتريكي قوي، عبور ذرة باردار از ميان ماده و ضربة مكانيكي. با جذب انرژي لازم براي خروج الكترون از اتم، فرآيند يونسازي اتفاق و اتم باقي‌مانده يون ‌ناميده مي­شود. اگر مقدار انرژي جذب شده فقط براي انتقال الكترون به لاية خالي بالاتر كافي باشد، فرآيند را برانگيختگي و اتم را برانگيخته مي‌نامند. اتم­هاي برانگيخته به‌طور كلي ناپايدار بوده، با انتشار تابش الكترومغناطيس  ( نورمرئي، نور فرابنفش يا پرتوي x ) عموماً در ^9-10 ثانيه به حالت طبيعي باز ‌مي‌گردند. براي مثال، اتم سديم با عدد اتمي 11، در لايه‌هاي  K ،L  و M ‏‌‌ به‌ترتيب داراي 2، 8 و 1 الكترون با انرژي­هاي 1072- ، 63- و 1- الكترون ولت هستند. براي خروج الكترون از لايةK  اتم سديم eV1072 و خروج از لاية M فقط eV1 انرژي نياز است. با جذب eV 62 الكترون از لاية  L بهM  برانگيخته مي‌شود و در بازگشت پرتوي الكترومغناطيسeV 62 منتشر مي‌كند. طبق تعريف، الكترون آزاد، انرژي صفر و الكترون محصور در اتم، انرژي منفي و الكترون آزاد و متحرك انرژي مثبت دارد.

نيروهاي الكترومغناطيس

  نيروي الكترومغناطيس توسط ذرات باردار توليد مي‌شود. در برخورد بين ذرات باردار، اغلب انرژي به صورت تابش الكترومغناطيس خارج مي‌شود. اين پرتوها  به صورت موج يا ذره منتشر مي‌شوند. اگرتابش الكترومغناطيس رفتار ذره‌اي داشته باشد، فوتون مي‌نامند كه جرم و بار در حال سكون ندارد. فوتون بسته‌اي از انرژي است كه براساس قوانين نيروهاي الكترومغناطيس با ماده رفتار مي‌كند. طبيعت دوگانة تابش الكترومغناطيس ( خاصيت موجي و ذره­اي) كه به عنوان يك حقيقت پذيرفته شده، در مورد ذر‌ات (مثلاً الكترون متحرك) نيز صادق است. تابش الكترومغناطيس فقط به‌وسيلة انرژي يا طول موج آن مشخص مي‌شود. تابش الكترومغناطيس به ترتيب با كاهش انرژي داراي اسامي پرتوي ايكس يا گاما، فرابنفش، مرئي، فروسرخ و راديويي دارند. انرژي تابش الكترومغناطيس با معادلة   با طول موج رابطه دارد كه h ثابت پلانك، c  سرعت نور و l طول موج است. اگر انرژي و طول موج به ترتيب برحسبkeV و آنگستروم(m ^10-10= ^° A) اندازه بگيريم رابطة به صورت   ساده مي‌شود.

الكترون اوژه و پرتوي ايكس مشخصه

 پرتوي ايكس بخشي از طيف تابش الكترومغناطيس است. تابش‌ الكترومغناطيس با انرژي­هاي eV  100 يا بيشتر پرتوي ايكس ناميده مي‌شوند. پرتوي ايكس به دليل قدرت نفوذ و يونسازي، از ديگر تابش­هاي الكترومغناطيس متمايز است. پرتوي ايكس مشخصه با انتقال الكترون از لاية خارجي اتم‌ به داخل ( بيشتردر مورد لايه‌هاي  K وL ) توليد مي‌شود. در شرايط طبيعي لايه‌هاي داخلي اتم كاملاً پر است، بنابراين براي ورود الكترون از لاية خارج به داخل، نياز به خلأ يا حفره‌اي در لاية داخلي اتم است. اين عمل با روش­هاي مختلفي انجام مي‌شود؛ معروفترين مثال، لامپ پرتوي ايكس است كه الكترون­هاي پرشتاب در برخورد با الكترون­هاي لاية داخلي اتم هدف، سبب خروج آن­ها و ايجاد خلأ درآن لايه‌ها مي‌شوند. با ايجاد خلأ در لايه‌هاي داخلي اتم، الكترون از لاية بالا به داخل حفره سقوط كرده، اختلاف انرژي دو لايه‌ به‌صورت تابش الكترومغناطيس منتشر مي‌شود. اگر انرژي منتشره تقريباً  eV 100 يا بيشتر باشد تابش را پرتوي ايكس مشخصة اتم مي‌نامند. به‌دليل منحصربفرد بودن انرژي‌ پرتوي ايكس مشخصة يك اتم، امكان شناسايي اتم و عنصر توسط اين پرتوها وجود دارد. در مورد اتم سديم، الكترون­ها در لايه‌هاي  K، L و M به‌ترتيب داراي انرژيeV  ( 1072- ،63- و 1- ) مي‌باشند. اگر در لاية K  اين اتم خلأ به‌وجود آيد، جاي خالي توسط يكي از الكترون­هاي لايةL  ياM  پر مي‌شود. اگر با الكتروني از لاية L  پرشود؛ انرژي الكترون لايةL  در ابتداeV  63- و چون در لاية K قرار گيرد به eV 1072- كاهش مي‌يابد. اختلاف انرژي به‌صورت پرتوي ايكس مشخصة eV 1009 = ] (1072-)-63-[ =   ‌ كه انرژي آن براي اتم سديم منحصربه‌فرد است، خارج مي‌شود. جايگزين فرآيند انتشار پرتويX   مشخصه، انتشار الكترون اوژه[1] است ( نام كاشف آن.). در اين فرآيند جاي

خالي لاية K  توسط الكتروني از لايةL  ياM  پر مي‌شود، ولي اختلاف انرژي كه مي‌بايستي به‌صورت پرتوX  خارج شود به الكتروني از لايةL  ياM  منتقل و درنتيجه الكترون به بيرون از اتم پرتاب مي‌شود. در اين­صورت، دو الكترون از لايةL  ياM  كم مي‌شود يكي جاي خالي الكترون لاية K  را پر مي‌كند و ديگري الكترون اوژه است كه از اتم به‌بيرون پرتاب مي‌شود، بنابراين اتم دو بار يونيزه شده است. در صورتي كه خلأ در لاية L  ياM  اتفاق افتد، فرآيندي مشابه رخ مي‌دهد. فرآيند اوژه اغلب در عناصر با عدد اتمي كم (  Z  < 24 . مثلاً Ca ، Al ، O ، N يا C)، و انتشار پرتوX  در عناصر با عدد اتمي بالا (45 Z > . مثلاً Pb ، W ، Cs يا I) رخ مي­دهد.

در سال 1905 انشتين به‌طور نظري قابليت تبديل جرم وانرژي را نشان داد و با پيشرفت فيزيك هسته‌اي و اتمي‌، نظرية او به اثبات رسيد. رابطة جرم و انرژي با معادلة سادة  ² mc E  = بيان مي‌شود، كهE  انرژي، m  جرم وC  سرعت نور است. واحد جرم در مقياس اتمي يا هسته‌ايamu) ) واحد جرم اتمي نام دارد، كه  جرم اتم كربن است. با استفاده از معادلة انشتين انرژي هرamu  برابر با MeV  931 است. جرم الكترون، پروتون و نوترون به ترتيب برابر است با amu (00055/0، 0073/1 و 0087/1) و انرژي معادل آن به ترتيب مساوي MeV (511/0، 938 و 939) است.

نوكلوئيدها

  انواع مختلف اتم، عنصر و انواع مختلف هسته، نوكلوئيد‌ ‌ناميده مي‌شود. يك عنصر به‌تنهايي با عدد اتمي (Z  ) ولي يك نوكلوئيد با عدد جرمي (A) و عدد اتمي (Z) آن شناخته مي‌شود. عدد جرمي يك نوكلوئيد، مجموع تعداد پروتون‌ (Z ) و نوترون(N ) است A = Z + N . براي مثال نوكلوئيد   مركب از 53 پروتون و 78 نوترون و 131 عدد جرمي است. علامت گذاري براي نوكلوئيدها به صورت  است كهA  وZ  به‌ترتيب عدد جرمي و عدداتمي نوكلوئيد وX  عنصري است كه نوكلوئيد به‌آن متعلق است. نوكلوئيد‌ها براساس عددجرمي، عدداتمي و تعداد نوترون­ تقسيم‌بندي مي‌شوند. نوكلوئيد‌هاي با عدد جرمي يكسان را ايزوبار مي‌نامند، (مثلاً  و  ). نوكلوئيد‌هاي با عدد‌اتمي يكسان را ايزوتوپ مي‌نامند ( مثلاً   و  ). ايزوتوپ­ها متعلق به يك عنصرند. نوكلوئيد‌هاي با تعداد نوترون مساوي را ايزوتون مي‌نامند ( مثلاً   و  هريك با 6 نوترون).

ساختمان و حالت برانگيختگي هسته

دانش ما از ساختمان هسته در مقايسه با اتم ( يعني، آرايش الكترون­ها در لايه‌هاي مختلف) بسيار محدود است. با حمايت از داده‌هاي تجربي، فرض شده است نوكلئون­ها مشابه الكترون­ها در اتم، درون لايه‌هاي كروي در هسته قرار دارند، البته از چگونگي تجمع نوكلئون­ها در لايه‌ها و يا عبور از لايه‌هاي مختلف اطلاع زيادي نداريم. اين نكته حائز اهميت است كه نوكلئون­ها نظير الكترون­ها در اتم با جذب انرژي، برانگيخته شده، به لايه‌هاي اشغال نشدة بالاتر مي‌روند.  پايين‌ترين آرايش ممكن نوكلئون­ها را حالت پاية هسته[1] مي‌نامند. معمولاً لايه‌هاي بالا‌تر به‌عنوان تراز انرژي يا حالت برانگيخته ناميده مي‌شوند. نوكلئون­ها نظير الكترون­ها انرژي بستگي متفاوتي دارند. انرژي بستگي نوكلئون (مقدار انرژي لازم براي بيرون كشيدن نوكلئون ازهسته ) در هسته‌هاي مختلف متفاوت است. متوسط انرژي بستگي نوكلئون­ها در بيشتر هسته‌ها در محدودة MeV ( 5 تا 8 ) كه 1000 برابر متوسط انرژي بستگي الكترون در اتم­هاست، بنابراين خروج پروتون يا نوترون از هسته، مشكل‌تر از الكترون از اتم است. يعني به مقدار زيادي انرژي احتياج است كه در رآكتورهاي هسته‌اي، شتاب‌دهنده‌ها و يا سيكلوترون­ها قابل تأمين است.

 زمان برانگيختگي يك هسته بسيار كوتاه است (كمتر از ^11-10 ثانيه) و با انتشار پرتوي پرانرژي مشابه اتم برانگيخته به حالت پايه باز مي‌گردد. عدد جرمي، عدد‌اتمي و تعداد نوترون هستة برانگيخته مشابه حالت پايه است (حالت برانگيخته يك هسته را ايزومر مي­نامند ). حالت برانگيختة يك هسته با علامت ستاره در بالاي حرف اختصاري عنصر مشخص مي‌شود ( مثلاً  كه حالت برانگيختة  است ). در برخي موارد، زمان برانگيختگي هسته  طولاني مدت است ( چند ثانيه، چند دقيقه يا حتي سالها) در اين موارد حالت برانگيختگي هسته را حالت

شبه‌پايدار[1] مي‌نامند.   و  مثال­هاي معروف هسته‌هاي شبه پايدارند، حرفm  بعد از عددجرمي نشانة حالت شبه پايدار هسته و وجه افتراق آن از حالت پايدار هسته است.

راديونوكلوئيد‌ها و پايداري هسته‌ها

 بسياري از هسته‌ها در حالت پايه نيز ناپايدارند، اين هسته‌هاي ناپايدار را راديونوكلوئيد‌ مي‌نامند. راديونوكلوئيد‌ها با انتشار تابش­گاما يا ذرات باردار به‌سمت پايداري، پيش مي‌روند. انتشار گاما يا ذرات باردار را واپاشي راديواكتيو مي‌نامند.

دو نيروي الكترومغناطيس و نيروي قوي سبب پايداري هسته مي‌گردند، نيروي قوي بين‌جفت نوكلئون­ها (يعني، پروتون و پروتون، پروتون و نوترون يا نوترون و نوترون ) عمل مي‌كند. اين نيرو از نوع جاذب است و در فواصل بسيار كم نوكلئون­ها، عمل مي‌كند. نيروي الكترومغناطيس سبب دافعة پروتون­ها مي‌گردد ( بارهاي همنام يكديگر را دفع مي‌كنند) تعادل اين دو نيرو ( جاذبه و دافعه) در پايداري هسته، نقش تعيين كننده دارند. هر زمان تعادل اين دو نيرو برهم خورد، هسته ناپايدار و راديواكتيو مي‌شود. تقريباً 259 هستة پايدار در طبيعت كشف شده‌ است. در هسته‌هاي پايدار اگر تعداد نوترون­ها به‌صورت تابعي از پروتون­ها رسم شود، منحني نظير شكل 2-1 به دست مي‌آيد. ابتداي  اين منحني به‌صورت خط راست است ولي در هسته‌هاي با عدد اتمي بالاتر به تدريج به سمت محور نوترون­ها  متمايل مي‌شود. مطابق اين منحني، در هسته‌هاي سبك (50 A < )  تعداد پروتون­ها و نوترون­هاي هستة پايدار برابرند. مثلاٌ هستة اكسيژن پايدار  داراي 8 پروتون و 8 نوترون است ولي هسته‌هاي سنگين‌ (100 A  >  ) به تعداد نوترون‌ بيشتري براي پايداري نياز دارند، براي مثال هستة يد پايدار (  )، 53 پروتون و74 نوترون دارد. نواحي‌دو طرف منحني شكل 2-1 منطقة راديونوكلوئيد‌ها ست، اگر راديونوكلوئيدي در ناحية بالاي منحني قرار‌ ‌گيرد، داراي نوترون‌ اضافي و درنتيجه ناپايدار است و اگر در ناحية پايين منحني قرار گيرد به‌واسطة پروتون‌ اضافي ناپايدار است.

زنجيره­هاي راديواكتيو 

  راديونوكلوئيد از طريق واپاشي راديواكتيو سعي در رسيدن به پايداري مي‌كند. پايداري ممكن است به‌طور مستقيم و در يك مرحله و يا درچند مرحله واز طريق واپاشي به راديونوكلوئيد‌هاي متعدد انجام شود. براي مثال،  مستقيماً واپاشي كرده تبديل به هستة پايدار   مي‌شود، ولي   ابتدا به واپاشي نموده  كه خود به   تبديل مي‌شود و واپاشي ادامه مي‌يابد تا به هستة پايدار  ختم مي‌شود. سري كامل اين واپاشي به شرح زير است:

 →  →  →  →

اين فرآيند را معمولاً سري يا زنجيرة راديواكتيو مي‌نامند. در پزشكي هسته‌اي، واپاشيMo ⁹⁹ وSn ¹¹³ از سري­هاي راديواكتيو بسيار معروفند:

        (پايدار )

     ( پايدار )

فرآيند‌هاي راديواكتيو و قوانين بقا

  يك راديونوكلوئيد ممكن است از طريق فرآيند انتشار آلفا، بتا و گاما  به پايداري برسد. دليل اين نام گذاري نامعلوم بودن ماهيت دقيق فرآيند‌ها در ابتدا بوده است. سه قانون مهم بقاي انرژي، بقاي عدد‌جرمي و بقاي بار در فرآيند‌هاي راديواكتيو و تبديلات هسته‌اي همواره صادق است. طبق قانون بقاي انرژي در فرآيند‌هاي راديواكتيو و تبديلات هسته‌اي مجموع انرژي ( انرژي جرم + انرژي جنبشي + انرژي به هر صورت ديگري نظير فوتون ) بدون تغيير مي‌ماند. بر اساس قانون بقاي عددجرمي مجموع عدد‌جرمي در فرآيند‌هاي هسته‌اي و راديونوكلوئيد تغيير نمي‌كند،

عدد‌ جرمي نوترون و پروتون مساوي يك و عدد‌ جرمي الكترون، صفر فرض مي‌شود، همچنين براساس قانون بقاي بار، در تبديلات هسته‌اي مجموع بار الكتريكي بدون تغيير مي‌ماند.

واپاشي آلفا

  يك راديونوكلوئيد در واپاشي آلفا،  ذرة سنگين و بارداري به‌نام آلفا از خود منتشر مي‌سازد. هر ذرة آلفا چهار مرتبه سنگين‌تر از يك پروتون يا نوترون و دو برابر پروتون بار الكتريكي دارد. در واقع ذرة آلفا، هسته‌اي پايدار با عدد‌جرمي 4A =  و عدد اتمي2 Z =   يعني هستة اتم هليم است. طبق قانون بقاي عدد‌جرمي و بار الكتريكي، در جريان واپاشي آلفا، عدد‌جرمي و عدد‌اتمي هستة جديد (معروف به هستة دختر) به‌ترتيب چهار و دو واحد كاهش مي‌يابد. واپاشي آلفا طبق رابطة زير بيان مي‌شود:

(  ذرة

عدد‌جرمي و بار الكتريكي دو طرف معادله برابرند.

 يك مثال از واپاشي آلفا، تبديل راديوم- 226 به رادون- 222 است. رادون –222 گازي است راديواكتيو و از سنگ‌ و خاك حاوي راديوم –226 خارج مي‌شود.

 

مقدار كمي راديوم در هر‌جايي وجود دارد كه سبب افزايش مقدار ناچيزي پرتوي زمينه مي‌شود كه البته جاي نگراني نيست. در صورت  وجود مقدار نسبتاً زياد راديوم در سنگ يا خاك و عدم جريان كافي هوا، گاهي اوقات، غلظت خطرناكي رادون در ساختمان توليد مي‌شود كه براي حفظ سلامت ساكنان آن، بايد كار مؤثري انجام داد. در مورد واپاشي آلفا دو ويژگي مشخص وجود دارد، اولاً به‌طور عمده در راديونوكلوئيد‌هايي با عدد‌جرمي بيش از 150 رخ مي­دهد، ثانياً انرژي جنبشي پرتوي آلفا درهر واپاشي مقدار ثابتي‌است. در مثال  انرژي‌جنبشي پرتو آلفا MeV 78 /4 است.

واپاشي بتا

  در جريان اين تبديل هسته‌اي، نوترون يا پروتون درون هستة به‌ترتيب به پروتون و نوترون تبديل مي‌شود. با تبديل پروتون به نوترون يك واحد از بار مثبت هسته كم شده، نيروي دافعة پروتون­ها كاهش مي‌يابد و برعكس، وقتي نوترون تبديل به پروتون شود يك واحد به‌بار مثبت هسته اضافه شده،  نيروي دافعة پروتون­ها افزايش مي‌يابد. نتيجة اين افزايش يا كاهش نيروي دافعه، ايجاد تعادل در دو نيروي الكترومغناطيس و نيروي قوي هسته­اي و پايداري راديونوكلوئيد است. تبديل نوترون به پروتون يا پروتون به نوترون به‌وسيلة نيروهاي ضعيف هسته­اي كنترل مي‌شود. ماهيت دقيق نيروهاي ضعيف كاملاً معلوم نيست و البته به بحث ما در مورد واپاشي بتا نيز مربوط نمي‌شود. واپاشي بتا در يكي از فرآيند‌هاي انتشار  يا الكترون، انتشار  يا پوزيترون و گيراندازي الكترون اتلاق مي­شود.

انتشار

  در اين فرآيند نوترون داخل هسته تبديل به پروتون ‌شده، انرژي مازاد به‌صورت يك جفت ذرة  الكترون و آنتي‌نوترينو(  ) آزاد مي‌شود. البته الكترون و آنتي‌نوترينو درون هسته وجود ندارد بلكه از انرژي مازاد در هنگام واپاشي راديونوكلوئيد توليد مي‌شود. آنتي‌نوترينو ذره‌اي است بدون بار و جرم درحال سكون آن صفر. اين ذرات به‌ندرت با ماده برهمكنش نموده بنابراين اثر بيولوژيكي مهمي ندارد. البته وجودش قطعي‌است، زيرا در صورت عدم آن، قانون بقاي انرژي نقض مي‌شود. امروزه وجود آن در آزمايشگاه ثابت شده است. رابطة واپاشي بتا را مي‌توان به‌صورت زير نوشت:

  توجه داشته باشيد در اين فرآيند قانون بقاي بار و عدد جرمي صادق است. چند مثال از راديونوكلوئيد‌هايي كه اشعة بتا‌منفي منتشر مي­كنند عبارتند‌از:     

مشاهده مي‌شود، در واپاشي ^- β عدد‌جرمي (A) بدون تغيير مي‌ماند ولي يك واحد به عدد‌اتمي  ( Z) هسته اضافه مي‌گردد.‌ انرژي جنبشي پرتوي بتا، ثابت نيست، زيرا  كل انرژي ( اختلاف جرم راديونوكلوئيد مادر و دختر ) بين الكترون و آنتي نوترينو به تصادف تقسيم مي‌شود. مثلاٌ اختلاف جرم  و   در جريان واپاشي به صورت انرژي بين الكترون وآنتي‌نوترينو تقسيم مي‌شود. تقسيم انرژي بين اين دو به‌صورت تصادفي است،  بنابراين الكترون با انرژي جنبشي‌ از صفر تا يك مقدار ماكزيمم،  منتشر مي‌شود( به‌صورت طيف ^- β ). انرژي ماكزيمم، حداكثر انرژي آزاد شده در يك واپاشي بتاست. در مثال بالا حداكثر انرژي واپاشي تريتيوم، كربن14و فسفر32 به ترتيبMeV  018/0,  156/0 و  71/1 است. احتمال انتشار الكترون با يك انرژي خاص   P (E _β)تابع مقدار انرژي الكترون است. رابطة احتمال وجود الكترون P (E _β) با مقدار انرژي الكترون E _β براي يك هستة بتا دهنده در شكل 1-1 نشان شده است. در دُزيمتري بيماراني كه راديونوكلوئيد بتا دهنده دريافت مي‌كنند، متوسط انرژي الكترون اهميت دارد.    محاسبة مقدار متوسط انرژي الكترون (  ) تابع شكل طيف پرتوي بتا است، ولي مقدار آن با يك محاسبة تقريبي يك سوم ماكزيمم انرژي الكترون است (  ).

انتشار پوزيترون يا  β⁺

  در اين فرآيند يك پروتون به نوترون تبديل و انرژي مازاد به‌صورت يك جفت ذره پوزيترون(e⁺) و نوترينو(ν) منتشر مي‌شود. پوزيترون الكتروني است كه بار الكتريكي مثبت دارد. جرم پوزيترون  مساوي الكترون و برخوردش با ماده  مشابه الكترون است. واپاشي پوزيترون طبق رابطة زير است :   

  در اين معادله قانون بقاي عدد‌جرمي و بارالكتريكي صادق است. ولي براي حفظ بقاي كل انرژي، لازم است جرم هستة (X) حداقلMeV   02/1(دو برابر جرم الكترون) بيشتراز جرم هستة ( (Yباشد؛ زيرا جرم يك اتم، شامل جرم نوكلئون­ها و الكترون­هاست. بنابراين جرم اتم X  حاوي جرمZ  الكترون است؛ درحالي‌كه جرم اتمY  شامل جرمZ-1  الكترون است. همچنين يك e⁺ از تبديل انرژي هسته‌ايX  به جرم توليد مي‌شود، بنابراين جرم هستةX   ‌بايد از دو برابر جرم الكترون به اضافة جرم هستةY  بيشتر باشد. چند مثال از هسته­هاي انتشار دهنده‌هاي پوزيترون:

  توجه داشته باشيد در جريان انتشار⁺ β ، عدد اتمي يك واحد كاهش ولي عدد جرمي تغيير نمي­كند. در انتشار⁺  β نيز انرژي پوزيترون از صفر تا يك مقدار حداكثر (طيف ⁺ β) تغيير مي‌كند. در اين‌مورد نيز  محاسبة مقدار متوسط انرژي، پيچيده است ولي به‌طور تقريب متوسط انرژي پوزيترون يك سوم حداكثر انرژي⁺ β در نظر گرفته مي‌شود.

گيراندازي الكترون

  در اين فرآيند، پروتون هسته با شكار الكتروني از لايه‌هاي اتمي (مثلاً K  ،L   يا M ) تبديل به نوترون شده، فقط نوترينو منتشر مي‌شود. اگر الكترون از لايةK  و يا L شكار شود پديده را به‌ترتيب گيراندازي الكترونK   ياL   مي‌نامند. شكار الكترون يكي از چند مثالي است كه هسته مستقيماً با الكترون­هاي مدار اتم (لايه‌هايK ، L  و… ) برهمكنش مي‌كند( در واپاشي گاما نيز نظير اين اتفاق رخ مي­دهد). وقتي الكترون از لايه‌هايK ، L  ياM  شكار شود در لايه‌هاي داخلي اتم خلأ ايجاد مي‌شود. اين خلأ  توسط الكتروني از لاية بالاتر پُر و هم‌زمان پرتويX  مشخصه يا الكترون اوژه منتشر مي‌شود. احتمال شكارالكترون از لاية K   معمولاً بيشتر از لايه‌هايL  يا M  است. گيراندازي الكترون با رابطة زير بيان مي‌شود:

اين رابطه با قوانين بقاي عدد جرمي و بار الكتريكي سازگار است. چند مثال معروف شكار الكترون:

مشابه انتشار پوزيترون، در گيراندازي الكترون نيز عدد جرمي تغيير نمي‌كند بلكه عدد اتمي يك واحد كاهش مي‌يابد. در تمام فرآيند‌هاي واپاشي بتا، عدد‌ جرمي بدون تغيير مي‌ماند؛ بنابراين، واپاشي بتا، نوعي تبديل ايزوبار است.

واپاشي گاما يا گذر ايزومريك

قبلاً اشاره شد، يك هسته مي‌تواند با جذب انرژي برانگيخته شود ( ايزومر) . معمولاً ايزومر‌ها به‌غير از حالت شبه پايدار، عمري كوتاه دارند. بازگشت هسته از حالت برانگيخته به سطح انرژي كمتر يا حالت پايه يك تبديل ايزومر شناخته مي‌شود (برخلاف گذر ايزوبار در واپاشي بتا). اين تحول از طريق دو فرآيند انتشار فوتون پر انرژي و تبديل داخلي صورت مي‌گيرد. 

انتشار فوتون پرانرژي

  در اين فرآيند انرژي مازاد يك ايزومر به‌صورت فوتون پرانرژي به‌نام پرتوي گاما (γ )، منتشر مي‌شود. پرتو γ  يك تابش الكترومغناطيس پرانرژي است (eV 100 > ). پرتوي X   وγ   با ‌انرژي مساوي از يكديگر قابل تفكيك‌ نيستند؛ زيرا با ماده به‌طور مشابه برخورد مي‌كنند  و فقط در منشأ توليد، اختلاف دارند. انرژي خروجي از هسته به‌صورت فوتون پرانرژي را پرتو γ و انرژي خروجي از اتم ( يعني گذر الكترون از لايه‌هاي اتم ) به‌صورت فوتون پرانرژي را پرتوX  مي‌نامند. در پزشكي هسته‌اي، اختلاف موجود در نحوة توليد فوتون پر انرژي، سبب هيچ‌گونه اختلاف عملي نمي‌گردد.

تبديل داخلي

  گاهي هستة برانگيخته، به‌جاي انتشار پرتو γ  انرژي خود را مستقيماً به الكترون (از لاية K، L  يا M )  مي‌دهد. اين فرآيند تبديل‌داخلي ناميده مي‌شود كه مثال ديگري از برخورد مستقيم هسته با الكترون­هاي اطراف آن است. (اولين مثال، گيراندازي الكترون در واپاشي بتا بود). تبديل‌داخلي يك فرآيند جانشين، براي انتشار پرتوγ  است. يك هستة منفرد، پرتويγ   يا الكترون منتشر مي‌كند، درحالي‌كه در مجموعه‌اي از هسته‌ها، تعدادي از هسته‌ها پرتوγ   و تعدادي، الكترون تبديل‌داخلي منتشر مي‌كنند. نسبت تعداد الكترونها به پرتو‌هاي  γ منتشره از هسته‌هاي برانگيخته، ضريب تبديل‌داخلي ( ic ) ناميده مي‌شود.

اگر برهمكنش با الكترون لاية K انجام شود، ضريب تبديل K (  ) و اگر با الكترون لاية L ، ضريب تبديلL ناميده مي‌شود و ضريب تبديل كل از مجموع ضرايب تبديل به‌دست مي‌آيد

به‌عنوان مثال اگر  باشد، انتشار پرتو γ پنج مرتبه بيش‌از الكترون تبديل‌داخلي است، ويا در شش واپاشي، پنج پرتو γ يا فوتون منتشر مي‌شود و فقط يك فرآيند تبديل داخلي اتفاق مي‌افتد. در تشخيص پزشكي هسته­اي،  راديونوكلوئيدي مطلوب خوانده مي‌شود كه تابش ذره‌اي نداشته باشد، از اين‌رو حتي در تابش گاما، به‌خاطر تبديل داخلي و انتشار الكترون، اين نكته مورد توجه قرار مي‌گيرد كه ضريب تبديل داخلي تاحد ممكن كم باشد.

  احتمال تبديل‌داخلي K  عموماً در مقايسه با تبديلL و M بيشتراست، زيرا الكترونهاي لاية  K به هسته نزديكترند. همچنين اگر حالت برانگيخته با دوام ( حالت شبه پايدار) و انرژي حالت برانگيخته كم باشد (KeV 100 < ) احتمال بروز تبديل داخلي بيشتر خواهد بود.

  در تبديل‌داخلي، الكتروني از لايه‌هاي ‌داخلي ( K، L  يا  M ) به بيرون پرتاب مي‌شود، درنتيجه درآن لايه خلأ به‌وجود مي‌آيد كه با الكتروني ازلاية بالاتر پُر مي‌شود، بنابراين پرتو  X  يا الكترون اوژه منتشر مي‌شود. فرآيند پُرشدن خلأ  لايه‌هاي اتمي مشابه گيراندازي الكترون K  در واپاشي بتاست. از آن‌ جا كه الكترون­ها در هر لايه ( K، L، … ) با انرژي خاصي به‌نام انرژي پيوند به هسته متصلند، الكترون تبديل‌داخلي حامل انرژي جنبشي خاصي برابر با اختلاف انرژي حالت برانگيختة هسته و انرژي بستگي الكترون است. براي مثال،   يك حالت شبه پايدار با انرژيKeV 393 است كه پرتو γ با انرژيKeV 393 يا الكترون تبديل‌داخلي با انرژي‌جنبشي KeV 3/363  منتشر مي‌كند.

KeV 3/363=  ( انرژي بستگي الكترون­هاي K در اتم اينديوم )  7/29  - 393

 

چگونه مي‌توان فهميد يك راديونوكلوئيد با انتشار ذرة آلفا، بتا، پرتوي گاما و يا تركيبي از آن­ها منتشر مي‌شود؟ درواقع يك قانون نظري براي كسب اين اطلاعات وجود ندارد، بلكه براي هر راديونوكلوئيد به‌طور تجربي اين اطلاعات به‌دست مي‌آيد و به‌طور شماتيك نشان داده مي‌شود. شماتيك واپاشي مجموعه‌اي ازاطلاعات تجربي مربوط به چگونگي و تعداد فرآيند واپاشي، انرژي پرتوها، نيمة عمر و ديگر اطلاعات راديونوكلوئيد است.

 

جدول 1-1 پرتوهاي منتشره در واپاشي Mo⁹⁹

به نام خدا

موضوع تحقيق:مايكل  فارادي

محقق: زهرا فرزادپور

دبیر:سرکار خانم خوش بین

دبیرستان:کوثر

کلاس:301

سال تحصیلی:1389-1388

مايكل فارادي فرزند نعل بند فقيري است كه در بيست و دوم سپتامبر 1791 در انگلستان متولد شد. او به رغم آموزش رسمي كمي كه ديده بود اديسون زمان خود شد. در سيزده سالگي در دكان صحافي به عنوان شاگرد كار شد و هنگام فراغت به مطالعه كتابهاي موجود در دكان صحافي مي پراخت. مطالعه يكي از تأليفات شيمي دان سوئيسي ژان مارسه او را به خط سير علوم وارد نمود. فارادي از آن پس در كلاس سر همفري ديوي (شيمي دان مشهور) حاضر مي شد و مقالاتي هم در اين باره مي نوشت و براي استاد مي فرستاد. او با خودآموزي در علم تا آنجا پيش رفت كه برجسته ترين فيزيكدان آزمايشگر عصر خود شد. در سال 1813 سر همفري ديوي او را به عنوان دستيار خود انتخاب نمود. در آغاز فارادي مي بايست فقط كارهاي جزئي و بي اهميت از قبيل جارو كشيدن كف آزمايشگاه و تميز كردن آزمايشگاه را انجام مي داد ولي او هميشه چشم و گوشش را باز نگه مي داشت و هرگاه فرصت دست مي داد تجربيات آزمايشگاهي خود را انجام مي داد. فارادي به مبحث الكتريسيته علاقه خاصي داشت. در آن زمان مي دانستند كه هرگاه جريان هاي الكتريكي از ميان مايعات خاصي عبور داده شوند جريان الكتريكي مايع را به عناصر تشكيل دهنده آن تجزيه مي كند بنابراين مثلاً جريان الكتريكي مي تواند آب را به دو ماده گازي شكل اكسيژن و هيدروژن تجزيه كند يا اگر مثلاً جرياني الكتريكي را از ميان محلول نيترات نقره عبور دهند نقره خالص رسوب مي كند. اين فرايند را الكتروليز مي نامند. فارادي در سال 1821 نخستين موتور الكتريكي (الكترو موتور) را ساخت. البته اين هنوز موتوري بسيار ساده و ضعيف تر از آن بود كه بتواند كاري انجام دهد ولي به هر حال اين موتور اختراع معركه اي بود كه روزي پي از بهينه سازي و تكامل ماشينهاي پرقدرتي را براي هر خط كاري قابل تصوري به كار مي انداخت. فارادي به اين ترتيب توجه جهان علمي ان روز را به خود جلب كرد و در سال 1824 به عنوان استاد انجمن سلطنتي انگلستان در لندن برگزيده شد. ديوي نسبت به فارادي نظر خوبي نداشت و او را همان شاگرد فقير سابق مي دانست در صورتي كه در اين هنگام فارادي مقامي همانند ديوي كسب نموده بود. فارادي درسال 1831 روندي را كه طي آن نخستين موتور الكتريكي را به كار انداخت به طور معكوس تجزيه كرد. در موتور الكتريكي او از الكتريسيته براي ايجاد حركت استفاده كرده بود. حال مي خواست از حركت براي توليد الكتريسيته براي ايجاد حركت استفاده كند. او زماني به اين فكر افتاد كه در حال انجام آزمايشهايي با آهنربا بو. آهن رباي فارادي از جنس آهن بود. نيروي مغناطيسي يا جاذبه آهنربا به طور نامرئي در فضاي اطراف آهن ربا گسترده است كه اين فضا را ميدان مغناطيسي يا ميدان نيرو مي نامند. فارادي كشف كرد كه چگونه مي توان برق

توليد كرد. نخستين ژنراتور يا به عبارت ديگر مولد برق فارادي از يك صفحه مدور مسي تشكيل مي شد كه ميان دو انتهاي يك آهن رباي نعل اسبي به وسيله محوري استقرار يافته بود و بوسيله يك اهرم حركت دستي چرخانده مي شد. وقتي اين صفحه مدور با سرعت در ميدان مغناطيسي مي چرخيد جريان الكتريكي ايجاد مي شد كه اين جريان از طريق يك جفت سيم مسي به نقطه دلخواه هدايت مي شد. فارادي در سالهاي 1831 و 1832 اثر خود را كه شامل «الكتريسيته القايي» بود به جامعه پادشاهي داد و همين اثر بود كه نام او را در دنياي ابدي ساخت. شهرت او بيش از هرچيز به پاس كشف پديده القاء الكترومغناطيسي است كه سبب توفيق وي در آن آزمايش مقدماتي هانس كريستين اورستد بود. آن آزمايش نشان مي داد كه عقربه قطب نمايي كه در مجاورت يك سيم حامل جريان برق واقع باشد از راستاي خود منحرف ميشود. فارادي دريافت كه در هر دو زمينه الكتريسيته و مغناطيس، خواص بوسيله نيروهايي كه در راستاهاي نامرئي به نام راستاي خطوط نيرو يا ميدان اثر مي كنند منتقل مي شود. اين كشف او آغازگر نظريه ميدانها و در حكم برداشتن يك قدم در آن زمينه بود. كمك مهم فارادي به پيشرفت فيزيك جلب توجه دست اندركاران به ميدان نامرئي نيرو بود كه امروزه از اهداف اصلي پژوهش در كليه زمينه ها از ذرات درون هسته اتم گرفته تا فضاهاي بين كهكشاني است. بررسي هاي الكتروشيميايي فارادي نيز او را قانع ساخت كه ماده از اتم هايي مختلف الجنس با بار الكتريكي موازنه شده يعني از اتمهايي كه داراي مقادير برابري بار الكتريكي مثبت و منفي هستند درست شده است.
فارادي كه در زمان حياتش از لحاظ علمي به درجه اي عالي رسيده بود مردي متواضع ، محجوب و ساده بود. او عنوان اشرافي بارون را كه به وي پيشنهاد كرده بودند نپذيرفت و

گفته بود: چون اين لقب چيزي به من نمي آموزد بنابراين مورد استفاده ام نخواهد بود. فارادي ايجاد كننده الكتروتكنيك در بيست و پنجم اوت 1867 در سن 76 سالگي درگذشت .

 از آثار علمي او:

 1- مطالعه در آثار شيميايي جريان الكتريسيته و كشف قوانين الكتروليز ( قوانين فارادي) و انتخاب اصطلاحات مربوط به الكتروشيميايي مانند : الكترود ، آند،كاتد،الكتروليت، . . .

 2- موتور الكتريكي - در سال 1821 فارادي موفق شد كه اولين موتور الكتريكي را بسازد، او با گذراندن جريان الكتريسيته از يك چرخ فلزي كه در ميدان مغناطيسي قرار داشت،

توانست چرخ را به حركت در آورد. ان چرخ متكي بر يك محور رسانا بود كه از پايين نيز با سطح جيوه تماس داشت.

 3- توليد الكتريسيته از راه القاي مغناطيسي - در هفدهم اكتبر سال 1831 به كشف اين پديده موفق شد كه حركت نسبي يك مغناطيس و يك سيم پيچ مي تواند جريان الكتريكي توليد كند. و از آن پس كه تكنولوژي توليد الكتريسيته از طريق ديناموها و آلترناتورها ( مولد هاي جريان پيوسته و متناوب ) شروع و تكميل شد. فارادي نه تنها در انديشه اختراع و اكتشاف و ساختن بود، بلكه « ياددادن » و به ويژه آموزش علوم به كودكان را وظيفه خود مي دانست. او از همان ساله اي اوليه اي كه به سرپرستي آزمايشگاههاي علوم تجربي منصوب شد، در روزهاي مشخصي از هفته ( چهارشنبه ها) براي كودكان در محلازمايشگاه سخنراني و آزمايش مي كرد. جالب است كه گفته شود هنوز سخنراني هاي علمي پس از يك و نيم قرن، در سطحي گسترده هنوز ادامه دارد!

زندگی علمی :

بزرگترین کار وی با الکتریسیته بود. در سال 1821م ، کمی بعد از اینکه شیمیدان دانمارکی ، هانس کریستن اورستد ، الکترومغناطیس را کشف کرد، داوی و ویلیام هید ولاستون سعی کردند تا یک موتور الکتریکی را طراحی کنند، اما نتوانستند. فارادی پس از صحبت با این دو نفر ، تصمیم به ساخت دو وسیله برای تولید آنچه که او گردش الکترومغناطیسی (یک حرکت چرخشی پیوسته ناشی از نیروی مغناطیسی اطراف یک سیم) می‌نامید، گرفت. اگر یک سیم غوطه‌ور در یک ظرف جیوه با یک آهنربا که در وسط آن قرار داده شده، با الکتریسیته تولید شده توسط یک باتری شیمیایی شارژ می‌شد، در اطراف آهنربا می‌چرخید.
این آزمایشات و ابداعات پایه‌های فنآوری الکترومغناطیسی پیشرفته کنونی را ساختند. فارادی طی یک اقدام نابخردانه بدون اینکه از والستون و داوی بخاطر دینش نسبت به آنها ، قدردانی کند نتایج آزمایشاتش را منتشر کرد و منازعه حاصل باعث شد که فارادی از تحقیقات الکترومغناطیسی برای سالها کنار بکشد. ده سال بعد در سال 1831م او سری بزرگ آزمایشاتش را که در آن به کشف القای الکترومغناطیسی نایل شد، آغاز کرد. او فهمید که اگر یک آهنربا را از وسط یک حلقه سیمی عبور دهد، یک جریان الکتریکی در سیم ایجاد می‌شود. دلایل او نشان داد که جریان الکتریکی مغناطیسم را ایجاد کرده است. سپس فارادی از این اصول برای ساخت دینامو ، شکل قدیمی ژنراتورهای توان پیشرفته الکتریکی ، استفاده کرد.
فارادی بیان داشت که نیروهای الکترومغناطیسی در فضای خالی اطراف هادی وجود دارد، اما او کارش را بر روی این پروژه تکمیل نکرد. تجسم آزمایشی فارادی از خطوط شار نشأت گرفته از بدنه بارها ، برای بار اول بصورت ریاضی توسط قانون القای فارادی (که بعدا جزو معادلات ماکسول شد) مدل شد که در تعمیم کلی تکمیل شده و به عنوان تئوری میدان شناخته شده است. فارادی بصورت تفننی به شیمی نیز پرداخت و مواد شیمیایی نظیر بنزن را کشف و سیستم اعداد اکسیداسیون و میعان گازها را ابداع کرد. او همچنین قانون الکترولیز را کشف کرده و الفاظی نظیر آند ، کاتد ، الکترود و یون را عمومی ساخت.در سال 1845م او آنچه را که اکنون اثر فارادی می‌نامیم و

پدیده‌ای را که او دیامغناطیسم نامید، کشف کرد. سطح پلاریزاسیون نوری که بصورت خطی قطبی شده و از میان یک محیط مادی منتشر شده را می‌توان توسط بکار گیری یک میدان مغناطیسی خارجی که در جهت انتشار تنظیم شده ، چرخاند. او در دفترچه‌اش نوشت که من در نهایت در توصیف یک منحنی مغناطیسی یا خطوط نیرو و در مغناطیس کردن یک شعاع از نور موفق شدم. این نشان داد که نیروی مغناطیسی و نور به هم مرتبط هستند.در کار روی الکتریسیته ساکن ، فارادی نشان داد که بار تنها بر روی سطح خارجی یک هادی باردار قرار می‌گیرد و بار روی سطح خارجی هیچ اثری روی چیزی که داخل هادی قرار دارد، نمی‌گذارد. این اثر حفاظتی در آنچه که ما به عنوان قفس فارادی می‌شناسیم بکار رفته است.

فارادی متأهل بود اما فرزندی نداشت. حامی و مشاور او جان مدجک فولر بود که کرسی استادی فولرین شیمی را در انستیتوی رویال ایجاد کرد. فارادی اولین و معروفترین فرد دارنده این مقام بود که تا آخر عمرش برای این مقام انتخاب شد. او در منزلش در همپتون کورت در 25 آگوست ، 1867میلادی وفات یافت.

منابع و ماخذ:

-سایت اینترنتی GOOGLE

- سایت اینترنتی رشد

-دانشنامه ی اینترنتی ویکی پدیا

به نام خدا

موضوع تحقیق:آندره ماری آمپر

محقق:مریم گودرزی

دبیر:سر کارخانم خوش بین

دبیرستان:کوثر

کلاس:301

سال تحصیلی:1389-1388

آندره آمپر در 22  ژانویه 1775 در خانواده ای روشنفکر در شهر لیون فرانسه به دنیا آمد. آغاز جوانی آمپر مقارن با انقلاب فرانسه بود. در شهر لیون انقلابیون قیام کردند. ولی کمی بعد ارتش جمهوریخواهان به شهر مسلط شد و به سرکوب مخالفان پرداخت. پدر او شغل مهمی در دانشگاه دولتی داشت و از طرفداران سرسخت حکومت اشراف بود. وی از جمله قربانیانی بود که در زیر تیغه گیوتین به دستور فوشه جان سپرد. مرگ پدر، ضربه جانکاهی بود که به دنبال آن تعادل روانی آمپر بهم خورد، بطوریکه مدتها دست از کارهای علمی برداشت و یک سال تمام طول کشید تا وی به شرایط عادی خود برگردد و بتواند آن ضربه روحی عظیم را فراموش کند. در سال 1797 با دختری به نام ژولی کارن که به شعر و ادبیات علاقه داشت، ازدواج کرد. اما زندگی امپر پر از حادثه بود.  در سال 1802 همسر جوانش بر اثر ابتلا به بیماری خطرناکی درگذشت.  این حادثه بیش از پیش سبب اندوه فراوان و آشفتگی عظیم آمپر شد، اما با این وجود درس را رها نکرد.  آمپر بیشتر از قبل در جستجوی علم و اکتشافات علمی بشر بود.  در سال 1809 سمت استادی آنالیز و مکانیک در پولیتکنیک را بدست آورد. در این زمان با انتشار کشف مهم خود مورد توجه دالامبر قرارگرفت.  او در سال 1814 دوباره ازدواج کرد . در این سال به عضویت آکادمی فرانسه نائل آمد. وی آزمایشات و تحقیقات علمی خود را ادامه داد و به عمل معکوس دو سیم حامل جریان برق به همدیگر پی برد. وی مشاهده کرد  که زمانی که جهت جریان در یک سیم یکی باشد، سیم ها همدیگر را  جذب می کنند و هرگاه جهت دو جریان مخالف باشد، سیم ها یکدیگر را دفع می کنند . آمپر توانست اکتشافات خود را در آکادمی علوم اعلام کند و شدت جریان الکتریکی و وسیله اندازه گیری آن را به همگان معرفی کند.  اکتشافات اساسی او درباره معادلات با مشتق جزئی سبب شهرت وی شد و او را در گروه بزرگترین دانشمندان قرار داد. کشف دیگر آمپر درباره تلگراف الکتریکی بود که آن را بر اساس الکترودینامیک انتشار داد. او بیشتر عمر خود را در آزمایشگاه و تحقیق به سر برد. او نظرات خود را در کتابی به نام  «پدیده های روانبرقی » بیان کرد، که در سال 1830 منتشر شد و در معرض استفاده عموم قرار گرفت.  وی در 10 ژوئن 1836 در مارس  به دنبال کار مداوم که روح و تن او را خسته و فرسوده کرده بود و زندگی پرحادثه درگذشت.

علایق و زمینه‌های فعالیت :

آمپر هیچگونه آموزشی رسمی ندیده ، پدرش او را به زیاد خواندن تشویق می‌کرد و آمپر جوان همه مقالات دایره المعارف مشهور ژان لوروند دالامبرودنیس دید روی را بخاطر سپرد. پدر و مادر او کاتولیکهای معتتقدی بودند و آمپر همواره از تنش میان تمایلات روشنفکرانه و باورهای مذهبی رنج می‌برد. یکی از اولین رشته‌های مورد علاقه‌اش گروه بندی گیاهان بود و نیز استعداد زود رسی در ریاضیات از خود نشان داد. آمپر پس از کمی تدریس خصوصی و عمومی در بورگ و لیون ، در 1804 برای تدریس ریاضیات در مدرسه پلی تکنیک ، که موسسه معتبری در زمینه آموزش علوم در پاریس بود، انتخاب شد.وی چندین یادداشت ریاضی درباره معادلات دیفرانسیل جزئی نوشت و در 1814 عنوان

ریاضیدان به عضویت فرهنگستان علوم فرانسه برگزیده شد. در این دوره آمپر در کنار ریاضی به تکمیل و بسط در زمینه شیمی نیز پرداخت. وی مفهومی کاملا هندسی از ساختار مولکولی طرح کرد، طرحی در دسته بندی عناصر شیمیایی ارائه داد و آنچه را که بطور کلی فرضیه آووگادرو نامیده می‌شود، نیز بصورتی مستقل عرضه کرد. آمپر در پاریس با دیدن دختری به نام ژان پوتو تمام غم و اندوه خود را فراموش نمود ولی کار این ازدواج به جایی رسید که یک روز زنش او را از خانه بیرون کرد، در این موقع آمپر سمت استادی مدرسه پلی تکنیک را داشت.

دیدگاهها :

بر طبق نظر آمپر دو سطح شناخت جهان خارجی وجود دارد، نمودها که مستقیماٌ‌ از راه جوابی به ما عرضه می‌شوند و بودها که علل عینی نمودها به شمار می‌روند. ما می‌توانیم روابط میان نمودها و بودها را نیز بشناسیم و این روابط درست به اندازه بودها واقعیت دارند. شور فکری مداوم زندگی آمپر از سال 1801 تا زمان مرگش دستگاه فلسفی بود، اما این سالها به پژوهشهای علمی فوق العاده مبتکرانه نیز اختصاص داشتند.

آمپر و علم فیزیک :

آمپر از 1801 تا حدود 1815 خود را عمدتاٌ وقف ریاضیات کرد به تدریج که دلبستگیش به ریاضیات کاهش یافت شیفته شیمی گردید و از 1821 تا 1828 دانش برق پویایی (الکترودینامیک) را پایه گذاری کرد و توسعه داد و همین کار عملی است که او را شهره ساخته و در ردیف اول فیزیکدانان جایگاه والایی به او بخشیده است. بزرگترین مقاله ریاضی آمپر با عنوان یادداشت درباره محاسبه انتگرال معادلات دیفرانسیل جزئی به بحث پیرامون مسائل گوناگون انتگرال گیری معادله‌های دیفرانسیل جزئی مربوط می‌شود. در سال 1815 آمپر نامه خود به برتوله را منتشر ساخت با عنوان نامه آقای آمپر به آقای کنت برتوله درباره تعیین نسبتهای ترکیب اجسام بر حسب تعداد و حالت مولکولهایی که اجزای تشکیل دهنده آن اجسام از آنها ترکیب شده‌اند.
از نظریه جاذبه عمومی که بطور عادی مایه پیوستگی اجسام دانسته می‌شود و از این واقیعت که نور به آسانی از اجسام شفاف می‌گذرد، آمپر نتیجه گرفت که نیروهای جاذبه و دافعه که با هر مولکولی ملازمند، مولکولهای دیگر اجسام را در فواصلی از یکدیگر نگاه می‌دارند که به گفته آمپر مقایسه با ابعاد این مولکولها بی‌نهایت بزرگند، در سال 1821 آمپر هم به عنوان ریاضیدان و هم تا اندازه‌ای به عنوان شیمیدانی نو آور شهرتی بدست آورده بود.
آمپر تا 1840 که 45 ساله شده بود، توجه زیادی به فیزیک نداشت. در آن سالها هانس کریستیان اورستد کشف کرد که جریان الکتریسیته می‌تواند جهت قرار گرفتن آهنربای آویخته را تغییر دهد. آمپر بی درنگ کار اورستد را دنبال کرد و به این نتیجه رسید که دو جریان الکتریکی خطی ، بسته به جهتهایشان نسبت به هم ، یکدیگر را جذب یا دفع می‌کنند. وی سپس نظر داد که همه پدپده‌های مغناطیسی در نتیجه نیروهای مشابهی که بین مدارهای ظریف مولکولی درون آهنربا وجود دارند ناشی می‌شوند. او موفق شد که برای این نیروهای وارد بر اجزای بینهایت کوچک مدار ، فرمولی ریاضی کشف کند و این فرمول را برای ترتیبهای آزمایشی بسیار متنوعی از مدارها و آهنرباها بکار ببرد.
بدین سان ، شاخه جدیدی از فیزیک که او آنرا "الکترودینامیک" نامید بوجود آمد. وی در سال 1822 به کشف القایش الکترومغناطیسی بسیار نزدیک شده ، ولی افتخار کشف آن در سال 1831 نصیب مایکل فاراده شد. مهمترین خدمات و خلاقیت آمپر در مرحله گذار از نظریه‌های الکترو استاتیک و مغناطیس اوایل سده نوزدهم به نظریه میدان الکترودینامیکی که صورت گرفت. نبوغ او در زمینه‌های نظری و تجربی سبب شد که جیمز کلرک ماکسول ، فیزیکدان معروف انگلسیی از او به عنوان نیوتن الکترویسته نام ببرد. در 1881 بکای جریان الکتریکی به نام او ، آمپر نامیدند. آمپر علاوه بر سهمی که در پیشرفت ریاضیات ، شیمی و فیزیک داشت، به فلسفه و بویژه روش شناسی علمی و طرحهای دسته بندی علاقمند بود.

فهرست منابع و مآخذ:

-     سایت اینترنتی GOOGLE

سایت رشد

در زیر تحقیق یکی از دانش آموزان سال سوم دبیرستان کوثر می آید:

یا لطیف

موضوع تحقیق: جرج سیمون اهم

محقق:فائزه گودرزی

دبیر:سرکارخانم خوش بین

دبیرستان:کوثر

کلاس:301

سال تحصیلی 1389-1388

جرج سیمون اهم:

جرج سیمون اهم در سال 1787 در آلمان متولد شد،پدرش قفل ساز و مادرش،فاریا،دختر یک خیاط بود  .با اینکه پدر و مادر جرج تحصیلات خود را به پایان نرسانده بودند اما پدر جرج تحت  تعلیمات و مطالعات شخصی خود بود تا جایی که قادر بود پسر خود را به عالیترین نحو با تعلیمات خود آموزاش دهد. در 1805،اهم وارد دانشگاه Erlangen شد و درجه ی دکتری  را دریافت کرد.او کتاب هایی در زمینه ی هندسه نوشته و در همان زمان به تعلیم ریاضیات در چندین مدرسه مشغول بود.بعد از آنکه او به کشف الکترو مغناطیس که در سال 1820 اتفاق افتادعلاقه مند شد،در لابراتوارفیزیک مدرسه ای شروع به کار و آزمایش کرد.

در دو مقاله ی مهم در سال 1826 اهم ،تصویری ریاضی از هدایت گرما در مدارهای مدلسازی شده فوریه ارائه داد.

این مقاله ها استنباط اهم از نتایج پدیده ها و آزمایشات تجربی را افزایش داد و بخصوص در مقاله ی دوم ، او قادر بود قوانینی که برای شرح و توضیح نتایج کارهای انجام  شده ی دیگران بر روی «پیل»بود را مطرح کند.

اجزای ابتدایی یک سلول الکتروشیمیایی:1)الکترودها(X وy)که هر دو از مواد برنده ی الکتریکی ساخته شده بودند:فلز،کربن،ترکیبات...

۲)الکترودهای   مرجع(A,B,C)که در برخورد با جسم تحلیل رونده،فاسد می شوند.

3)خود سلول یا محفظه ای که از مواد بدون حرکت و بی اثر تشکیل شده باشد.

4)الکترولیته ای که حاوی یون باشد.

با استفاده و کمک از آزمایشات فراوانی که جرج سیمون اهم انجام داده بود ،توانست روابطی اساسی  بین ولتاژ،جریان و مقاومت به دست آورد.چیزی که امروز به عنوان قانون اهم شناخته می شود.با این شرح که مقدار ثابتی از جریان که از سیمی عبور بکند،دقیقا متناسب است با ولتاژ دو سر آن سیم ،تقسیم بر مقاومت آن.

اهم(R)واحد مقاومت الکتریکی،مساوی است با جریان یک آمپری که در یک رسانا برقرار شودو به ازای یک ولت اختلاف پتانسیل الکتریکی که بر دو سر سیم اعمال می  شود.این روابط بنیادی آغازی است با شروع تحلیل مدارات الکتریکی.

قانون اهم که به نام کاشف آن جرج اهم نام گذاری شده است، بیان می دارد که نسبت اختلاف پتانسیل (یا افت ولتاژ) بین دو سر یک هادی (و مقاومت) به جریان عبور کننده از آن به شرطی که دما ثابت بماند، مقدار ثابتی است:
V \over I = R
که در آن V ولتاژ و I جریان است. این معادله منجر به یک ثابت نسبی R می شود که مقاومت الکتریکی آن وسیله نامیده می شود. این قانون تنها برای مقاومتهایی صادق است که مقاومت شان به ولتاژ اعمالی دو سرشان وابسته نباشد که به این مقاومت ها مقاومت های اهمی یا ایده آل یا وسیله های اهمی گفته می شود.
خوشبختانه شرایطی که در آن قانون اهم صادق است، بسیار عمومی است.( قانون اهم هیچگاه برای ابزارهای دنیای واقعی کاملا دقیق نیست چرا که هیچ ابزار واقعی وجود ندارد که یک ابزار اهمی باشد).
معادله V / I = R حتی برای ابزارهای غیر اهمی هم صادق است اما در آن صورت دیگر مقاومت R یک مقدار ثابت نیست و به مقدار V وابسته است. برای اینکه بررسی کنیم که آیا ابزاری اهمی است یا نه، می توان Vرا بر حسب I رسم کرد و نمودار بدست آمده را با خط مستقیمی که از مبدا می گذرد مقایسه کرد.
معادله قانون اهم اغلب بصورت :
V = I \cdot R
بیان می شود چرا که این معادله صورتی است که اکثر اوقات همراه مقاومت ها بکار برده می شود.
فیزیکدانان اغلب فرم میکروسکوپیک قانون اهم را استفاده می کنند:

در آن j چگالی جریان ( جریان عبوری از واحد حجم)، & هدایت و E میدان الکتریکی است. و در واقع فرمی است که اهم قانونش را بیان کرد. فرم عمومی V = I·R که در طراحی مدارات بکار می رود، نسخه ماکروسکوپیک متوسط گیری شده فرم اصلی است.
دانستن این مطلب مهم است که قانون اهم یک قانون گرفته شده از ریاضیات نیست ولی بخوبی توسط شواهد تجربی تایید می شود. گاهی اوقات هم قانون اهم به هم می خورد چرا که این قانون بسیار ساده سازی شده است.
منشا اصلی به وجود آمدن مقاومت در مواد در برابر جریان الکتریکی را می توان عیب ها، ناخالصی های مواد و این واقعیت که الکترون ها خودشان اتم ها را به این طرف و آن

طرف می زنند، دانست. وقتی که دمای فلز افزایش می یابد، عامل سوم نیز افزایش می یابد بنابراین، وقتی که یک جسم به علت عبور جریان الکتریکی از آن گرم می شود، مانند رشته داخل حباب لامپ، مقاومتش افزایش می یابد.
مقاومت یک جسم از معادله زیر بدست می آید:
(R = \frac{L}{A} \cdot \rho = \frac{L}{A} \cdot \rho_0 (\alpha (T - T_0) + 1
که در آن & مقاومت ویژه، Lطول جسم هادی، A مساحت سطح مقطع آن، T دمای جسم، T_0 یک دمای مرجع (معمولا دمای اتاق) و rho_0 و alpha ثابت های ویژه ماده جسم هادی اند.

منابع و ماخذ:

-سایت اینترنتی GOOGLE

- سایت اینترنتی رشد

-دانشنامه ی اینترنتی ویکی پدیا

این سوال در میان دبیران فیزیک منطقه مطرح و کلی بحث برانگیز شد.

و اما پاسخ آن:

با فرض اینکه بار های مثبت حرکت میکنند(طبق قرارداد) از دو راه تماس و القاء میتوان الکتروسکوپ را باردار منفی نمود.

1- روش تماس :

در این روش کافیست شانه پلاستیکی بار دار منفی  را به کلاهک الکتروسکوپ تماس داد .

2- روش القاء:

میله بار بار مثبت را به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک می کنیم.در اینصورت بارهای منفی ورقه ها به سمت بالا جذب می شوند و میله ها از هم به علت وجود بارهای مثبت دور می شوند .
در این هنگام در همان حالی که میله را نزدیک کلاهک نگه داشتیم کلاهک الکتروسکوپ را لمس می کنیم . در این لحظه بارهای مثبت به سمت زمین روانه می شوند و تنها باری که در الکتروسکوپ می ماند بار منفی می باشد.

برای باردارکردن الکتروسکوپ به گونه ای که بارمثبت پیدا کند به همین روش میتوان عمل کرد.

می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر به این سایت مراجعه نمایید:

http://olooms.blogfa.com 

در این سایت اطلاعات جامع و مفیدی درباره الکتروسکوپ و کارکرد آن آمده است.