امروز: سه شنبه, ۰۵ مرداد ۱۴۰۰ برابر با ۱۶ ذو الحجة ۱۴۴۲ قمری و ۲۷ ژوئیه ۲۰۲۱ میلادی
کد خبر: 271406
۱۸۸۴
۱
۰
نسخه چاپی
جایلز اسپارو

فیزیک در چند دقیقه | مباحث فیزیک را به ساده بیاموزید

جایلز اسپارو نویسنده این کتاب، عضو انجمن سلطنتی نجوم است، در کالج دانشگاهی لندن به تحصیل نجوم پرداخته و تحصیلاتش را در کالج سلطنتی لندن در رشته ارتباطات علم پی گرفته است.

فیزیک را ساده بیاموزیم (قسمت اول)

فیزیک در چند دقیقه

مکانیک کلاسیک

مکانیک گرایشی از فیزیک است که با رفتار اجسام در حرکت یا در معرض نیرو قرارگرفته سروکار دارد. با نگاهی به گذشته یونان باستان، معلوم می شود که مکانیک قدیمی ترین شاخه فیزیک است، و به این دلیل «کلاسیک» خوانده می شود که شامل قوانینی است که بسیار پیش تر از دو دستاورد موفقیت آمیز اخیر یعنی نظریه کوانتوم و نسبیت در قرن بیستم شناخته شده است. این قوانین هنوز می توانند برای توصیف بسیاری از پدیده های متداول در جهان که از مقیاس اتمی و مولکولی بزرگترند به کار گرفته شوند. تنها در شرایط حدی است که پیشرفت های علمی اخیر می توانند توصیف دقیق تری از آن چه در واقع روی می دهد عرضه کنند؛ شرایط حدی آنجاست که با سرعت های بالا، میدان های گرانشی قوی یا مقیاس های خیلی کوچک سروکار داریم. مکانیک کلاسیک جنبه هایی از جهان را از ماشین های ساده تا مدارهای سیارات و خواص جامدات، مایعات و گازها از مقیاس اتمی تا مقیاس های روزمره یا «ماکروسکوپی» توصیف می کند.

اساس تمام این پدیده های مختلف یک مدل ساده و ظریف است برای برخورد اجسام و قوانین ساده ای که بر رفتار و برهم کنش آن ها حاکم اند. تکنیک های مکانیک کلاسیک به ما اجازه می دهد که دریافت، اتلاف و انتقال انرژی بین ذرات را محاسبه کنیم و رفتار آن ها را در شرایط مختلف پیش بینی کنیم. مهم ترین این قوانین، قوانین حرکت و گرانش نیوتن اند که توسط فیزیکدان انگلیسی، آیزاک نیوتن (Sir Isaac Newton) در سال ۱۶۸۷ در کتاب اصول فلسفه طبیعی (که بیشتر با عنوان لاتینش The Principia معروف است) توصیف شدند. قوانین نیوتن حرکت اجسام تحت تأثیر نیروها و قدرت نیروهای جاذبه گرانشی بین جرم های بزرگ را توصیف می کنند. این قوانین، توصیفی کامل از بسیاری از پدیده های طبیعی به دست می دهند که فقط در شرایط حدی نقض می شوند؛ یعنی در مقیاس های زیر میکروسکوپی فیزیک کوانتومی یا در شرایط سرعت یا گرانش بسیار بالا که با نسبیت توصیف می شود. در واقع، قوانین نیوتن وظیفه توصیف دنیای روزمره اطراف ما را آنقدر خوب انجام می دهند که فیزیک نیوتنی اغلب با کل مبحث مکانیک کلاسیک برابر شمرده می شود.

تندی، سرعت و شتاب

مفاهیم تندی (speed)، سرعت (velocity) و شتاب (acceleration) برای توصیف حرکت اجسام در مکانیک حیاتی هستند. معمولاً تندی و سرعت را هم معنا فرض می کنند و به جای هم به کار می برند، اما اگر بخواهیم دقیق صحبت کنیم باید بگوییم که تندی آهنگ حرکت جسم است در هر جهت، حال آنکه سرعت حرکت را در جهتی خاص می سنجد. هر دو می توانند بر حسب واحدهای یکسانی اندازه گیری شوند (مانند متر بر ثانیه)، اما تندی کمیتی بدون جهت یا «عددی» (scalar) است، در حالی که سرعت کمیتی جهت دار یا برداری (vector) است. در بیشتر مواقع، دانستن سرعت جسم از دانستن تندی آن مفیدتر است.

شتاب کمیت برداری دیگری است که نرخ تغییرات سرعت جسم را اندازه گیری می کند (بر حسب واحدهایی مانند متر بر مجذور ثانیه که اغلب به صورت نوشته می شود). شتاب تنها زمانی وجود خواهد داشت که نیرویی خارجی بر جسم اعمال شود. بسته به جهت نیرو شتاب می تواند منجر به کم شدن سرعت شود (که گاهی deceleration می خوانند) یا علاوه بر بزرگی سرعت جهت آن را نیز تغییر دهد.

جرم، اینرسی و وزن

جرم (mass)، اینرسی (inertia) و وزن (weight) کمیت هایی مربوط به هم اند که حساسیت ذاتی جسم را در برابر نیروهای خارجی شتاب دهنده توصیف می کنند. جرم و وزن اغلب (به خطا) به جای یکدیگر به کار می روند. جرم جسم مستقیماً به مقدار ماده تشکیل دهنده آن بستگی دارد و فقط زمانی که مقداری ماده به آن اضافه یا کم شود تغییر می کند (یا در شرایط حدی که اینشتین توصیف کرده است). اینرسی تمایل جسم برای مقاومت در برابر هر تغییری در حرکت آن است. اینرسی با مقدار جرم تشکیل دهنده جسم تناسب مستقیم دارد و معمولاً به رغم اینکه مفهوم مهمی در فیزیک نیوتنی است، جداگانه اندازه گیری نمی شود. وزن مقدار نیرویی (force) است که میدانی گرانشی بر جرمی معین وارد می کند. از آنجا که وزن نوعی نیرو است، با واحد نیوتن اندازه گیری می شود؛ انیوتن مقدار نیرویی است که 1 کیلوگرم جرم را با نرخ ۱ متر بر مجذور ثانیه شتاب می دهد. از آنجا که شتاب ناشی از گرانش روی سطح زمین 8/ 9 است، وزن کیلوگرم جرم برابر 8/ 9 نیوتن است.

اصطکاک

تقریباً در هر «سیستم» مکانیکی در دنیای واقعی، اجسام متحرک نیروی کششی را تجربه می کنند که تمایل به کند کردن آن ها دارد، در حالی که اجسام ساکن نیرویی را تجربه می کنند که مانع حرکت آن ها می شود. نیروهایی که از برهم کنش بین سطح اجسام تولید می شوند همگی «اصطکاک» نامیده می شوند. اما بسته به طبیعت سیستم، اصطکاک می تواند به شکل های مختلفی باشد. اصطکاک خشک (dry friction) بین دو سطح جامد رخ می دهد و ممکن است جنبشی (kinetic) (درصورتی که سطوح در حرکت باشند) یا ساکن (static) باشد. اصطکاک تر (huid friction) بین لایه ها در یک مایع یا گاز رخ می دهد، درحالی که اصطکاک داخلی (internal friction) در مقابل نیروهایی که سعی بر از شکل انداختن اجسام جامد دارند، مقاومت می کند. سه قانون اصلی بر اصطکاک خشک حاکم است: قانون اول آمونتن (Amonton ' s first law) می گوید نیروی اصطکاک متناسب با بار اعمال شده است (مؤلفه ای از وزن جسم که بر سطح فشار می آورد)، درحالی که قانون دوم او می گوید نیروی اصطکاک مستقل از مساحت سطوحی است که با هم در تماس اند. ضمناً قانون اصطکاک کولن ( Coulomb ' s law of friction) می گوید اصطکاک جنبشی نیز مستقل از «سرعت سر خوردن» (sliding velocity) بین دو سطح است.

تکانه

تکانه (momentum) با اندازه حرکت جسم ویژگی ای است که با عبارت «جرم در حال حرکت» به بهترین نحو توصیف می شود. تکانه از حاصل ضرب جرم جسم در سرعت آن محاسبه می شود و بر حسب واحدهایی چون «کیلوگرم متربرثانیه» (kg m/s) اندازه گیری می شود. از آنجا که تكانه . از سرعت و نه تندی به دست می آید کمیتی برداری است که علاوه بر بزرگی دارای جهت هم هست. علاوه بر تکانه خطی (linear momentum)، جسم گردان ممکن است دارای تکانه زاویه ای (angular momentum) هم باشد.

تکانه خطی در اثر اعمال نیرو تغییر می کند: تغییر تکانه متناسب با تغییر سرعت است (بنابراین شتاب دادن یک جسم به دو برابر سرعت اولیه اش تکانه آن را نیز دو برابر می کند). نکته مهم این است که تکانه کمیتی «پایسته» (conserved) است؛ در یک سیستم بسته از اجسام برخورد کننده که نیروی خارجی به آن ها وارد نمی شود تکانه کل همیشه ثابت می ماند. برخورد بین توپ های بیلیارد روی یک میز یا آونگ های «گهواره نیوتن» ( Newton ' s cradle)کارکرد این اصل را آشکارا نشان می دهد.

کار، انرژی و توان

سه مفهوم بنیادین می توانند در درک رفتار سیستم های مکانیکی مفید باشند. در چارچوب فیزیک، کار (work) اعمال نیرو بر جسمی دارای جرم است که سپس به حرکت در می آید، یعنی زمانی گفته می شود که نیرو کار انجام داده که جسمی را در جهتی خاص جابه جا کند. کار با فرمول ساده زیر محاسبه می شود:

W=fxd

که در آن f نیروی اعمال شده بر جسم و d مسافت پیموده شده است. نیرو بر حسب واحد نیوتن متر یا ژول (Joule) اندازه گیری می شود. مثلاً، رویی 10 نیوتنی بر جسمی وارد می شود و آن را ۱۲ متر جابه جا می کند، ۱۲۰ ژول کار انجام شده است.

مفهوم انرژی (energy) کمی گنگ تر اما مهم تر است. انرژی را می توان ظرفیت انجام کار توصیف کرد. این ظرفیت ذاتی یک جسم یا سیستم فیزیکی است. انرژی، مانند کار، بر حسب ژول اندازه گیری می شود و نمی تواند تولید شود یا از بین برود. اما همیشه در هر سیستمی پایسته است (این سیستم ممکن است حتی به بزرگی جهان یا دربرگیرنده تمام عالم باشد). با این حال، انرژی می تواند اشکال گوناگون داشته باشد؛ از شکل های نسبتاً «مفید» آن مانند انرژی جنبشی و پتانسیل تا شکل های پراکنده و غیرقابل استحصال مانند گرمای محیط و صوت. بدین ترتیب، سیستم ممکن است ظرفیت انجام کار مفید را در طول زمان از دست بدهد؛ از این روست که مثلاً جهش توپ پلاستیکی تا ابد ادامه نمی یابد. کل شاخه ترمودینامیک در فیزیک به درک و مدل سازی این مفاهیم اختصاص یافته است.

در نهایت، توان (power) نرخ انجام کار با مصرف انرژی است. توان بر حسب وات (wat) اندازه گیری می شود. یک وات معادل یک ژول کار) یا صرف انرژی) در یک ثانیه است. بگذارید همان مثال پیشین را گسترش دهیم؛ اگر نیرویی ۱۰ نیوتنی در ۵ ثانیه جسمی را به مسافت ۱۲ متر جابه جا کند، توان صرف شده برای انجام این کار است.

انرژی جنبشی و پتانسیل

انرژی جنبشی (kinetic energy) یک جسم انرژی ناشی از حرکت جسم است و می تواند از مقدار کار مورد نیاز برای شتاب دادن جسم از حالت سکون به سرعت فعلی آن به دست آید. می توان این انرژی را از قوانین پایه نیز محاسبه کرد، اما در شرایط کلاسیک که نسبیت عامل مؤثری نیست ساده تر آن است که برای به دست آوردن آن از فرمول سادهK.E.= استفاده کرد که در آن m و v به ترتیب جرم و سرعت جسماند. انرژی پتانسیل (potential energy) انرژی ای است که جسم به سبب وضعیتش در سیستم دارا شده و معادل است با ظرفیت آن جسم برای انجام کار. آشناترین شکل آن انرژی پتانسیل گرانشی است که از فرمول P.E. = mgh به دست می آید، که در آن h ارتفاع جسم و و نیروی گرانش است (معادل با/819 نیوتن بر کیلوگرم). صورت های دیگر انرژی پتانسیل شامل پتانسیل کشسانی (elastic)، الکتریکی، شیمیایی و مغناطیسی است. این انرژی ها مانند همه اشکال انرژی می توانند از یک صورت به صورت دیگر درایند. درواقع، تمام فرایندهای فیزیکی را در نهایت می توان به صورت تبدیل های انرژی توصیف کرد.

برخوردهای کشسان و ناکشسان

فیزیکدان ها دو نوع برخورد بین اجسام تعریف می کنند. برخورد کشسان (elastic collision) زمانی است که هم تکانه و هم انرژی جنبشی (K.E.) سیستم پایسته باشند (به بیانی دیگر اندازه گیری این کمیت ها بعد از برخورد همان عدد قبل از برخورد را نشان بدهد). برخورد ناکشسان (inelastic collision)، بر خلاف کشسان، تکانه را ثابت نگاه می دارد اما انرژی جنبشی را نه. علاوه بر این، انرژی کل یک سیستم بسته همیشه پایسته است. بنابراین هر تغییری در انرژی جنبشی باید با یک تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر همراه باشد. بسیاری از برخوردها ناکشان اند. برای مثال زمانی که دو توپ بیلیارد به یکدیگر برخورد می کنند مقداری انرژی جنبشی به گرما (لرزش اتم های داخل توپ ها) و صوت تبدیل می شود. در واقع، تنها برخوردهای کشسان واقعی همان هایی اند که بین خود اتم ها رخ می دهد، اما خوشبختانه در عمل می توان سیستم های بسیاری را کشسان پنداشت؛ یا به این سبب که تغییر انرژی جنبشی قابل اغماض است یا اینکه جذب و اتلاف انرژی جنبشی به شکل آماری یکدیگر را خنثی می کنند.

قوانین حرکت نیوتن

در کتاب اصول فلسفه طبیعی ۱۸۶۷، آیزاک نیوتن سه قانون حرکت وضع کرد که معمولاً به این شکل ارائه می شوند:

1. جسم به حرکت یکنواختش ادامه می دهد (یا در حال سکون باقی می ماند) مگر اینکه نیرویی خارجی به آن وارد شود.

2. شتاب جسم (a) در جهت نیروهای وارد شده بر آن است و با برآیند آن نیروها متناسب است و با جرم جسم (m) نسبت عکس دارد. این قانون را می توان به شکل نوشت (اغلب به صورت بیان می شود).

3. نیروی اعمال شده از یک جسم بر جسم دیگر معادل با نیرویی مساوی و خلاف جهت آن است که از جسم دوم به جسم اول وارد می شود: «هر عمل عکس العملی مساوی و خلاف جهت آن دارد». این قوانین هم رفتار مکانیکی سیستم های میکروسکوپی و هم ماکروسکوپی (مقیاس بزرگ) را تبیین می کنند و پایه های نظری فنی کلاسیک را تشکیل می دهند.

معادلات و نمودارهای حرکت

برای توصیف ویژگی های اجسام در حال حرکت از معادلات ریاضی مختلفی می توان استفاده کرد، اما شاید اشناترین و مفید ترین آن ها پنج تایی باشند که بر شرایط شتاب ثابت اعمال می شوند. گاهی اوقات معادلات SUVAT خوانده می شوند که متغیرهای s (جابه جایی یا مسافت پیموده شده)، u (سرعت اولیه)،v (سرعت نهایی)، a (شتاب) و t (زمان) را به هم ربط می دهند. این معادلات را به اختصار می توان چنین نوشت:

s=ut+ at2 v2=u2+2as

v=u+at s= (u+v)t

s=vt- at2

شرایط دارای شتاب ثابت را به شیوه ای دیگر نیز می توان بررسی کرد و آن رسم نموداری است که سرعت و زمان را مقایسه کند؛ همان گونه که در شکل صفحه بعد نشان داده شده است. معادلات SUVAT و هندسه نمودار هر دو روابط یکسانی را نشان می دهند.

مدارها

مدار (orbit) مسیری است که جسم حول جسم دیگر تحت تاثیر نیروی جاذبه بین دو جسم می پیماید. طبق قانون اول نیوتن، اجسام به حرکت خود در مسیر مستقیم ادامه می دهند مگر اینکه تحت تاثیر نیروی خارجی قرار گیرند. بنابراین حرکت دادن جسم در مسیری حلقه ای یا مدار به عهده نیروی جاذبه است. در هر نقطه از فضا، حرکت جسم در مدار حول جسم دیگر می تواند دو مؤلفه ای در نظر گرفته شود، مؤلفه ای شعاعي (radial) در راستای خط واصل بین دو جسم و مؤلفه ای عرضی (lateral) عمود بر آن که در راستای مدار است. مدار پایدار وقتی به وجود می آید که کشش نیروی جاذبه روی جسم چرخان دقیقاً با مؤلفه اشعاعی حرکت برابر شود، این شرایط فقط به حرکت عرضی می انجامد. جهت دقیق حرکت عرضی در هر نقطه از فضا متفاوت است [به علت عمود بودن بر شعاع] که همین امر سبب ایجاد مسیری دایره ای می شود. با وجود اینکه ساده ترین مدار دایره ای بی نقص است قانون های کپلر ( Kepler ' s law) نشان می دهد که مدارهای بسته درواقع مسیرهای کشیده شده یا بیضوی را دنبال می کنند، که دایره حالت خاصی از آن هاست.

قوانین حرکت سیاره ای کپلر

در سال ۱۶۰۹ ریاضیدان المانی، یوهانس کپلر (Johannes Kepler) توصیف جدیدی از کیهان ارائه کرد. تحلیل دقیق او از حرکت سیاره ای سبب شد متوجه شود مدار سیاره ها حول خورشید از سه قانون ساده تبعیت می کند:

1. مدار هر سیاره بیضی ای است که خورشید در یکی از مرکزهای آن قرار دارد.

2. اگر خطی بین سیاره و خورشید رسم شود این خط در زمان های مساوی مساحت های یکسانی را می پوید (بنابراین سیاره ها هر چه به خورشید نزدیک تر باشند، سریع تر حرکت می کنند).

3. مربع دوره تناوب مداري (orbital period) هر سیاره متناسب با مکعب نیم قطر بزرگ (semi - major axis) آن است.

این ایده که سیاره ها حول خورشید می گردند از زمانی که نیکلاس کوپرنیکوس (Nicolaus Copernicus) نتیجه کارش را در سال ۱۵۴۳ انتشار داد شهرت یافته بود، اما اخترشناسان هنوز به کمال فلسفی مدارهای دایره ای پایبند بودند. با رها شدن از این مفهوم، کپلر حرکت حقیقی اجسام تحت تأثیر گرانش را فاش کرد و این چنین راه را برای قوانین عمومی تر نیوتن برای حرکت و گرانش باز کرد.

گرانش نیوتن

گرانش نیرویی که اجسام دارای جرم را به سوی یکدیگر جذب می کند، مفهومی محوری در کل فیزیک و به ویژه مکانیک است. در سال ۱۵۸۹، دانشمند ایتالیایی، گالیلئو گاليله (Galileo Galilei) نشان داد که گرانش زمین، اجسام را بدون توجه به جرم آن ها یکسان تحت تأثیر قرار می دهد؛ اگر پارامترهایی نظیر مقاومت هوا بتوانند از بین بروند، تمام اجسام نیروی یکسانی را تجربه خواهند کرد که آن ها را به سمت زمین می کشد. ایک قرن بعد، تماشای افتادن یک سیب الهام بخش ایزاک نیوتن شد و جهشی فکری را رقم زد: اگر نیرویی که سیب را به سمت زمین می کشد جهانی باشد و همان نیرویی باشد که ماه را در مدارش دور زمین نگه می دارد چه؟ نیوتن توانست قوانین حرکت خود را که عمومی تر شده بود بر پایه قوانین کپلر برای حرکت سیاره ها بسط دهد سیب قانون جهانی گرانش را بنا نهد. این قانون می گوید نیروی جاذبه بین دو جسم متناسب با حاصل ضرب جرم آن ها در هم است و با مربع فاصله آن ها نسبت عکس دارد.

تکانه زاویه ای

در مقابل تکانه خطی (linear momentum) اجسام جرم دار که روی خط مستقیم حرکت می کنند، تکانه زاویه ای (angular momentum ) ( L ) برای اجسام دوار تعریف می شود. تکانه زاویه ای کمیتی برداری است که دارای اندازه و جهت است و همیشه نسبت به محوری خاص اندازه گیری می شود، یعنی محور دوران سیستم. تكانه زاویه ای را می توان با استفاده از معادله L = محاسبه کرد که در آن I «ممان اینرسی» (moment of inertia) جسم است که در اصل مقیاسی است برای نشان دادن مقاومت جسم در برابر دوران. برابر سرعت زاویه ای جسم (تعداد دورها در یک ثانیه) یا همان سرعت تغییر جهت زاویه ای (angular direction) نسبت به محور دوران است. دقیقا مانند تکانه خطی، تکانه زاویه ای در یک سیستم بسته پایسته است مگر اینکه یک نیروی چرخشی خارجی به سیستم وارد شود که گشتاور (torque) نام دارد. پایستگی تکانه زاویه ای بسیاری پدیده های طبیعی را تبی می کند. مثلاً اینکه چطور اسکیت باز روی یخ با جمع کردن بازوانش می تواند سریع تر بچرخد، یا اینکه چرا چرخش ستارگان و سیاراتی که از ابرهای گاز و غبار چرخان تشکیل شده اند، سریع تر می شود.

نیروهای جانب مرکز و گریز از مرکز

نیروی جانب مرکز (centripetal force) هر نیرویی است که جسمی را مجبور به حرکت در یک مسیر منحنی می کند، این نیرو همیشه بر حرکت جسم عمود و به سمت نقطه ای است که مرکز لحظه ای (instaneous centre) منحنی نامیده می شود. این نیرو ممکن است از گرانش (مانند حالت مداری)، یا کشش یک طناب یا میله تأمین شود. مثلاً زمانی که یک جسم مانند یک توپ دور سر یک ورزشکار می چرخد. نیروهای درگیر را می توان از معادله F = ma = m محاسبه کرد که در آن m جرم جسم، a شتاب، v سرعت مماسی در هر لحظه خاص و r شعاع منحنی هستند. این معادله را می توان چنین نیز نوشت که در آن سرعت زاویه ای جسم است.

در این نوع شرایط نیروی «گریز از مرکز» (centrifugal force) نیروی ظاهری است که جسم را به سمت خارج مرکز می راند یا می کشد. این نیرو می تواند نیرویی حقیقی باشد که در عکس العمل به نیروی جانب مرکز تولید شده است یا نیرویی کاملاً موهوم یا مجازی که از تغییری در چارچوب مرجع حاصل شده است.

اثر کوریولیس

شهرت اثر کوریولیس (coriolis effect) به سبب تأثیرش بر دوران آب زمین و سیستم آب و هوایی است؛ اما در حقیقت پدیده ای کلی تر است که نشان می دهد چگونه نیروهای مجازی مانند گریز از مرکز به وجود می آیند. این پدیده انحرافی ظاهری در حرکت جسمی است که روی یک خط راست حرکت می کند؛ هنگامی که داخل همان «چارچوب مرجع» چرخان مشاهده می شود. اگر چارچوب مرجع ساعت گرد دوران کند، انحراف به سمت چپ است و اگر پاد ساعت گرد دوران کند انحراف به سمت راست خواهد بود.

دوران نسبتاً کند زمین به این معناست که اثر کوریولیس تنها در فواصل بزرگ و بازه های زمانی طولانی محسوس می شود. برخلاف تصور عام، پدیده کوریولیس فقط در شرایط ایده ال می تواند بر آبی که از چاهك سینک پایین می رود اثر گذارد. جرم های بزرگتر هوا یا آب که تحت تأثیر هیچ نیروی دیگری نیستند برای تشکیل «دایره های لختی» (ertial circles ) تحریک می شوند که شعاعشان با نزدیک شدن به استوا بیشتر می شود. این دایره ها در نیمکره شمالی ساعت گرد و در نیمکره جنوبی پادساعتگرد می چرخند.

ماشین های ساده

در بیان مکانیکی، ماشین ساده وسیله ای است که نوعی «فایده مکانیکی» عرضه می کند، به این معنا که یک سیستم روشی را ارائه می دهد که در آن نیرویی مورد نیاز برای حرکت دادن جسمی خاص می یابد. ماشین های ساده از این واقعیت که کار انجام شده در حرکت یک جسم توسط حاصل ضرب نیرو در مسافت به دست می آید، بهره می برند. بنابراین، این امکان وجود دارد که همان مقدار کار مثلاً با نصف نیرو که در دو برابر مسافت اعمال می شود به دست آید.

اهرم این موضوع را به خوبی نشان می دهد. هنگامی که محور ثابت یا تکیه گاه در یک سوم طول اهرم قرار داشته باشد، به طوری که فاصله نقطه اثر نیرو تا تکیه گاه دو برابر فاصله جسم تا تکیه گاه باشد، در این حالت اگر نصف نیرو روی دو برابر فاصله وارد شود همان مقدار کار انجام می گیرد. ماشین ساده دیگر سطح شیب دار، گوه، چرخ و محو قرقره و پیچ هستند؛ در تمام این مثال ها نیروی وارد شده برای انجام کا به ازای افزایش زمان یا فاصله اعمال نیرو، کاهش می یابد.

تغيير شكل

در بیان فیزیکی، تغییر شکل (deformation) تغییر در شکل جسمی جامد است، که از اعمال نیرو یا گرم کردن جسم ناشی می شود. تغییر شکل تحت نیروی کشش ممکن است آشناترین شکل این پدیده باشد، با توجه به ساختار داخلی اتمی با مولکولی این اجسام، مواد جامد در مقابل نیروی فشار خیلی خوب مقاومت می کنند (با وجود این ممکن است آن ها باز هم هنگامی که تحت نیروهای پیچشی یا برشی قرار گیرند تغییر شکل دهند). فیزیک دانان بین شرایطی که تغییر حالت به طور دائمی شکل ماده را تغییر می دهد (تغییر شکل برگشت ناپذیر) (plastic deformation) و مواردی که یک جسم بتواند زمانی که نیروی تغییر دهنده از بین رفتن شکل اولیه اش را باز یابد (تغییر شک برگشت پذیر) (elastic deformation) تمایز قائل می شوند. فشار بیش از ممکن است یک جسم را فروریزد یا بشکند. قانون هوک (Hook ' s law) می گویند که برای تغییر شکل برگشت پذیر مقدار تغییر شکل X (مثلاً در کشیدن یک فنر) متناسب با نیروی تغییر دهنده ای است که بر آن اعمال می شود معادله ای می شود: F x یا F = kX که k ثابتی است که مقاومت جسم تغییر شکل را اندازه می گیرد و سختی (stiffness) جسم خوانده می شود.

کشسانی، فشار و کشش

زمانی که جسمی در معرض نیرویی تغییر شکل دهنده قرار می گیرد، واکنش آن با قانون هوک و یک ثابت که سختی نام دارد، کنترل می شود. سختی جسم هم به جنس جسم و هم به شکل آن بستگی دارد. ثابت دیگر که به کشسانی (elasticity) معروف است، به ما اجازه می دهد تا خواص خود ماده خام را مورد سنجش قرار دهیم. کشسانی معمولاً با معادله ساده λمساوی تنش (stress) تقسیم بر کرنش (strain) توصیف می شود، که λضریب کشسانی (elastic modulus) است (مقیاسی برای کشسانی)، تنش نیروی اعمال شده بر واحد سطح ماده (بر حسب پاسکال) و کرنش تغییر طول ماده است که بر طول اولیه آن تقسیم شده است، ؛ به شرط آنکه از حد کشسانی ماده تجامن نشود. در واقع، فیزیک دانان و مهندسان ضرایب کشسانی مختلفی را استفاده می کنند تا خواص ماده را در شرایط مختلف توصیف کنند. مدول یانگ ( Young ' s modulus) کشسانی ماده را هنگامی که در معرض نیرویی در راستای محورش قرار گرفته است توصیف می کند، مدول برش تمایل کلی ماده برای حفظ شکل خود را بیان می کند و مدول حجمی مقاومت ماده در برابر فشا تمام جهان را نشان می دهد.

قانون عمومی گازها

رفتار گازها بحثی مهم در فیزیک است که در آن قوانین مکانیک می توانند به صورت آماری روی تعداد زیادی از ذرات درون یک سیستم اعمال شوند (مخصوصاً اتم ها، یا به طور متداول تر مولکول هایی که شامل یک یا دو اتم هستند). این تکنیک ها به توضیح «قوانین گاز»که توسط دانشمندان تجربی بین قرن های ۱۷ تا ۱۹ کشف شد، کمک می کند. هر قانون رفتار یک سیستم بسته را که حاوی مقدار ثابتی از گاز است، توصیف می کند.

قانون بویل ( Boyle ' s law) بیان می کند که در یک سیستم بسته، حجم جرمی ثابت از گاز با فشاری که گاز به ظرفش وارد می کند تناسب معکوس دارد، که باعث ثابت ماندن دمای گاز می شود. به زبان دیگر، اگر مقدار ثابتی از گاز را فشرده کنید (حجم آن را مثلاً با یک پیستون کم کنید)، فشار آن افزایش می یابد. در شکل معادله ای می تواند به صورت شود. قانون شارل ( Charles ' law )، در ضمن، بیان می کند که اگر فشار گاز در سیستمی ثابت باقی بماند، آنگاه حجمی که اشغال می کند با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد که به زبان ریاضی به شکل V T نوشته می شود.

در نهایت، قانون گی- لوساک ( Gay - Lussac ' s law) بیان می کند که برای گاز که در حجم ثابت است، فشاری که به ظرف وارد می کند متناسب با دمای مطلق است: P T

این سه قانون رابطه مثلثی وابستگی داخلی را مشخص می کنند و می توانند به آسانی ترکیب شده تا نشان دهند که حاصل ضرب فشار و حجم گاز متناسب با دمای مطلق آن است :

PV T

یا

PV=nRT

n تعداد مول های گاز در سیستم

R ثابت بولتزمان ( Boltzmann' s constant)

نکته مهم این است که اگر بخواهیم دقیق صحبت کنیم، قوانین گاز فقط گاز «ایده ال» را توصیف می کنند، گازهایی که از ذرات نقطه گونه با حرکت تصادفی ساخته شده اند و این ذرات با هم برهم کنشی ندارند. خوشبختانه، بسیاری از گازهای حقیقی در بیشتر حالت ها به جز شرایط جدی مانند گازهای ایده آل رفتار می کنند، استثناها شامل گازهای سنگین مانند گازهای دستگاه های خنک کننده هستند، یا گازهایی که بین مولکول هایشان نیروهای قوی وجود دارد، مانند بخار آب.

نظریه جنبشی گازها

نظریه جنبشی روشی برای شناخت گازهای ایده آل با مدلی آماری از تک تک مولکول های درون آن ها است. گسترش این نظریه اولین تلاش موفق برای اعمال مکانیک کلاسیک روی مقیاس میکروسکوپی بود و نقش مهمی در اثبات اینکه مواد روزمره از مولکول ها و اتم های کوچک غیر قابل مشاهده ساخته شده اند، داشت.

طبق این نظریه، گاز ایده آل شامل ذرات ریز فراوان در حرکت تصادفی دائمی است. فشاری که توسط گاز وارد می شود نتیجه برخوردهای بین ذرات جداگانه آن در برخورد با دیواره ظرف است، درحالی که دمای گاز بازتاب سرعت حرکت ذرات است. این مدل ذرات را در مقایسه با فاصله میانگین بین آن ها کوچک در نظر می گیرد. بنابراین برای گازی که از اتم های جداگانه تشکیل شده است، نشان دادن اینکه چگونه تغییر فشار (P)، دما (T) یا حجم (V) آن ها روی ویژگی های دیگر آن ها تأثر می گذارد آسان است که این فرایند به قانون گاز ایده آل منجر می شود برای یک سیستم که شامل n مول از یک گاز ایده آل است، pv = nRT برقرار است، که R همان ثابت بولتزمان یا «ثابت جهانی گاز» (niversal gas constant) است.

قانون آووگادرو

قانون آووگادرو ( Avogadro ' s law) حجم گاز را به تعداد اتم ها یا مولکول های حاضر آن پیوند می دهد. این اعداد در مقیاس مول (mole) اندازه گیری می شوند، امول معادل 1023 × 02/6 ذره است.

این عدد، که به ثابت آووگادرو معروف است، تعداد اتم های یک جرم اتمی خاص m است که شامل جرمی معادل m گرم است.

طبق این قانون در یک دما و فشار ثابت، حجم V از یک گاز متناسب با تعداد مول های گاز n است که در بردارد.

آزمایش ها نشان داده اند که یک مول از هر گاز ایده آل «حجم مولی» (molar volume) برابر 22/414 لیتر در دمای صفر درجه سانتیگراد تحت فشار هوای یک اتمسفر اشغال می کند؛ بنابراین می توان گفت که من ۶۴ گرم از O2 (مولکول اکسیژن با جرم مولکولی ۳۲) حجم 818/44 لیتر را در این شرایط اشغال می کند. این عبارت ابزار مناسبی را برای اندازه گیری جرم گاز عرضه می کند.

مکانیک سیالات

مکانیک سیالات (شاره ها) شاخه ای از فیزیک است که به ویژگی های سیالات می پردازد و محبث علمی پیچیده ای به شمار می رود. این مبحث سعی بر این دارد که فرایندهای پیچیده مربوط به رفتار سیالات را مطابق مدل معینی عرضه کند و بر مایعات و گازها، هردو، اعمال می شود. قوانین مکانیک سیالات (برخلاف قوانین گاز)، به نفع «فرضیه پیوستار» -continu) (um hypothesis، آشکارا از این حقیقت که سیالات از تعداد بسیاری اتم یا مولکول جدا از هم ساخته شده اند صرف نظر می کند و سیال را به صورت یک ساختار منفرد در نظر می گیرد که تغییرات از یک بخش به بخش دیگر آن پیوسته است. در حقیقت، مکانیک سیالات اغلب فرضیات دیگری را برای ساده سازی مدل در نظر می گیرد. این فرضیات شامل ایده فشرده ناپذیری سیالات است (این بیشتر برای مایعات صدق می کند تا گازها) و اینکه ممکن است آها روان رو (non - viscous ) یا «ایده ال» باشند. به بیان دیگر، آن ها اصطکاک داخلی ندارند، مانند نیروهایی که در پاسخ به نیروهای خارجی، همچون تنش های برشی، مانع تغییر شکل آن ها می شوند. در عمل، تنها ابرسیالات (superfluids) واقعاً روان رو هستند، اما سیالات ایده آل هنوز یک مدل نظری مفید هستند.

گران روی (viscosity) یک سیال شبيه به ضریب کشسانی مواد جامد است و میزان سهولتی را که با آن ماده جاری شده یا تغییر شکل می یابد اندازه می گیرد. تغییر شکل سیال یا کرنش برشی (shear strain) (تغییر در ابعاد سیال در مقایسه با ابعاد اولیه اش) سریع تغییر می کند، بنابراین اندازه گیری نرخ تغییرات کرنش برشی مفیدتر است. در شکل معادله ای چنین می شود:

ضریب نهایی گران روی بر حسب واحد پاسكال ثانیه اندازه گیری می شود. گران روی آب در دمای اتاق ۱ میلی پاسکال ثانیه است.

به طور غیر رسمی، مواد با ضرایب بالاتر از ضریب اب گران رو (Viscous) نامیده می شوند و آن هایی که دارای ضریب کمتر هستند روان رو هستند. این مفهوم می تواند برای تعریف یک تقسیم بندی مفید در سیالات کمک کند. در سیالات «نیوتنی»، تنش متناسب با نرخ کرنش در هر نقطه است و یک ضریب ثابت و قابل پیش بینی برای گران روی می تواند محاسبه شود. در سیالات غیر نیوتنی، گران روی ثابت نیست و می تواند با عوامل دیگر مانند زمان و نرخ تغییر در تنش تحت تأثیر قرار گیرد. رب گوجه فرنگی و رنگ هر دو از سیالات غیرنیوتنی هستند.

اصل برنولی

یکی از مهم ترین قواعد در دینامیک سیالات، که در ابتدا دور از عقل به نظر می رسد، اصل برنولی است، با این حال بسیاری از اشکال تکنولوژی مدرن نمی توانند بدون این قانون کار کنند. دانشمند سوئیسی، دانیل برنولی (Daniel Bernoulli) در کتاب ئیدرودینامیکا (Hydrodynamica) خود که در سال ۱۷۳۸ نوشت، توضیح داد که چگونه برای یک سیال ایده آل، هر افزایشی در سرعت سیال باید با کاهش فشار یا انرژی پتانسیل تنظیم شود. اگر سیال افقی جاری شود، آنگاه فشار بیشتری را هنگام حرکت آهسته و فشار کمتری را هنگام حرکت سریع وارد خواهد کرد.

کاربرد این قانون در زندگی روزمره نسبتاً پیچیده تر از این است، اما کاربردهای مختلف آن مفید است. مثلاً ونتوری مترها (Venturi meters) نرخ شارش سیال را توسط تغییر فشار ناشی از حرکت سیال بین دو پیمانه لوله ای اندازه می گیرند. بال های هواپیما هوا را مجبور می کنند که با سرعت بیشتری روی سطح بالاترشان حرکت کنند که این حالت یک اختلاف فشار و یک نیروی بالابر تولید می کند.

آشوب

ریاضیات پیچیده نظریه آشوب حوزه ای بزرگ و در حال رشد است که در رشته های زیست شناسی، اقتصاد و حتی فلسفه نیز کاربرد دارد. با وجود این، از دیدگاه یک فیزیکدان تمام این رشته ها در عبارت ساده «حساسیت به شرایط اولیه» (sensitivity to initial conditions) به بهترین نحو خلاصه می شوند. به بیان دیگر، حتی در سیستم های ظاهراً قابل پیش بینی در فیزیک کلاسیک نیز کمترین تفاوت در شرایط اولیه می تواند (در شرایط خاص) به تفاوت های خروجی بسیاری بینجامد.

ریاضی دان و هواشناس آمریکایی ادوارد لورنز (Edward Lorenz)، که مفهوم مشهور «اثر پروانه ای» (butterfly effect) را مطرح کرد و با تعریف آشوب به صورت «شرایطی که در آن حال آینده را تعیین می کند، اما حال تقریبی آینده را به طور تقریبی تعیین نمی کند» این مفاهیم را جمع بندی کرد. به بیان دیگر، بدون توانایی اندازه گیری و کنترل همه پارامترها با دقت بسیار زیاد همیشه سیستم های معین غیر قابل پیش بینی هستند.

امواج

امواج اغتشاش های متحرکی هستند که (معمولاً) انرژی را در مکان انتقال می دهند. کاربرد امواج در زمینه های مختلف بسیار متداول بوده و از مفاهیم بنیادین جهان فیزیک هستند. درک ویژگی ها و رفتار امواج یکی از پایه های مهم فیزیک جدید است و علاوه بر پدیده های موجی اشکار، همچون موج آب و صداهای ارتعاشی، در زمینه های گوناگونی چون الکترومغناطیس و طبیعت ماده نیز کاربرد دارد.

یافتن مفهومی دقیق و جامع برای امواج کار ساده ای نیست، اما تشخیص آن ها به هنگام مشاهده شان کار راحتی است. هنگامی که از کسی خواسته می شود به یک پدیده موجی فکر کند، اکثراً به امواج آب فکر می کند و همین موضوع نمودهای مهم این پدیده را در اذهان عمومی نشان می دهد.

چیزی که از ملاحظه امواج آب در می یابیم این است که هنگامی که یک موج اغتشاشی متحرک باشد، اغلب پس از عبور از یک نقطه، ماده را در همان موقعیت باقی می گذارد. یک پر شناور روی آب تأیید می کند که هنگامی که یک تک موج از یک دریاچه می گذرد، مناطق جداگانه دریاچه (تا سطوح مولکولی) مختصری آشفته می شوند و پس از گذشت موج معمولاً به حالت قبل شان بازگشته و ساکن می شوند. ماده ای که موج در آن حرکت می کند «محیط واسط» (میانجی) است. تا جایی که اکنون می دانیم، فقط امواج الکترومغناطیسی و امواج گرانشی قادرند بدون ماده واسطه وجود داشته باشد.

امواج آب امواج عرضی (transverse) هستند، نوسان بالا به پایین در محیط واسط که از گذر این امواج حاصل می شود بر جهت حرکت یا انتشار موج عمود است. درحالی که این مدل برای بسیاری از امواج (از جمله الکترومغناطیس) صدق می کند، یک مدل عام نیست. در امواج طولی (longitudal) نوسان یا اغتشاش در طول جهت حرکت یا انتشار موج است. امواج صوتی یا فشار نمونه های خوبی از این انواع موج هستند که انتشار آن ها با فشرده شدن ذرات در طول مسیر حرکت صورت می گیرد و پس از عبور موج به حالت اولیه بازمی گردند. با وجود این تفاوت اساسی، هر دو نوع موج خواص مشترک بسیاری دارند و پدیده های مشابهی بر آن ها حاکم است.

قانون هويگنس

قانون هويگنس اولین بار توسط فیزیکدان هلندی، کریستین هویگنس (Christiaan Huygens) مطرح شد، قانون هویگنس ابزاری مفید برای توصیف رفتارهای موج، مانند شکست (refraction) و پراش (diffraction) موج پیشنهاد می دهد. هویگنس می گوید که هر نقطه در جلوی جبهه موج متحرک می تواند به صورت یک چشمه موج برای «موجک»های (Wavelet) جدید رفتار کند. اگر هر موجک به مانعی برخورد کند، رفتارش می تواند به کمک موجک های اضافی پیش بینی شود.

این قانون دلیل پخش مجدد امواج پس از عبور از روزنه های باریک را توضیح می دهد، همچنین اینکه چرا امواج در مرز بین دو ماده شکسته می شوند در قانون هويگنس بررسی می شود. با وجود این، خود هویگنس، در توضیح اینکه چرا موجک ها فقط روی لبه های جلویی شان روی کل موج تاثیر می گذارند ناتوان بود. این معما به دست فیزیک دان فرانسوی اگوستین جین فرنل ( Augustin - Jean Fresnel) در سال ۱۸۱۶ حل شد، زمانی که وی نشان داد که تداخل ویرانگر بین موجک ها سبب می شود که اثر آن ها در همه قسمت های دیگر از بین برد.

تداخل

هنگامی که دو موج در محیط واسط با یکدیگر برخورد می کنند، اثرات آن ها می توانند یکدیگر را خنثی کرده یا تقویت کنند. این اثر که به نام تداخل (interference) شناخته شده است، به آسانی با انداختن دو سنگ در دریاچه و مشاهده نقش پیچیده ای که در نقطه برخورد موج های پخش شده پدید آمده، مشاهده می شود.

تداخل امواج تنها مثالی کوچک از یک قانون عمومی تر فیزیک است که به برهم نهی معروف است؛ در هر نقطه دامنه اغتشاشی که توسط ترکیب دو موج تولید شده است به سادگی برابر جمع دامنه اغتشاش هر یک از آن هاست. هنگامی که دو قله به یکدیگر برخورد کنند، نتیجه یک قله دو برابر اندازه معمولی است و هنگامی که دو دره به هم برخورد کنند، نتیجه دره ای دو برابر عمیق تر است. این تداخل به نام تداخل سازنده معروف است. بر عکس آن اگر یک قله و یک دره با اندازه برابر ولی خلاف جهت هم به هم برخورد کنند کاملاً یکدیگر را خنثی هیچ اختلالی باقی نمی ماند؛ پدیده ای که به «تداخل ویرانگر» معروف است.

تحميل (مدولاسیون)

بسیاری از ویژگی های امواج آن ها را برای فرستادن اطلاعات بسیار مناسب می کند و در واقع از زمان کشف امواج رادیویی در دهه، نسل جدید به این امواج به عنوان حامل های جدید سیگنال اعتماد کرد. امروزه، می توانیم به کمک قدرت محاسباتی و مدارهای مجتمع (آی.سی) ارزان برای کدگذاری و بازکردن کد اطلاعات به شکل دیجیتال استفاده کنیم. اما به طور سنتی، چنین سیگنال هایی توسط روی هم اندازی یا کدگذاری یک جریان اطلاعات آنالوگ دائماً در حال تغییر، مانند سیگنال های ناشی از یک میکروفون به سمت یک موج حامل (carrier wave) یکنواخت، تولید می شدند.

در عمل، دو روش برای انجام این کار وجود دارد؛ مدولاسیون دامنه موج (AM) قدرت یا دامنه موج حامل هم راستا با دامنه سیگنال تغییر می دهد. این سیگنال برای پیدا کردن ساده است اما به علت تغییرات تصادفی در شدت موجی که به دریافت کننده می رسد، دارای اغتشاشات مزاحم (نوفه) (noise) می شود. مدولاسیون بسامد موج (FM)، هم زمان، بسامد موج حامل را مقدار کمی به دو سوی مختلف (دو طرف) بسامدی مرکزی شیفت می دهد که توسط یک پاک سازی سیگنال اصلی نمایان می شود. پیدا کردن موج در این حالت پیچیده تر است، اما چون بسامد امواج رادیویی کمتر از دامنه شان قطع می شود، سیگنال بازسازی شده واضح تر است.

امواج صوتی

پدیده ای که ما به نام صوت می شناسیم یک فشار پیچیده موج است که در محیطی واسط مانند هوا، آب یا اجسام جامد به شکل امواج طولی انتقال می یابد. هنگامی که این ضربان های فشار به پرده گوش ما برخورد می کنند لرزش هایی تولید می کنند که سلول های عصبی حساس ما را برانگیخته می کند و بسته به بسامدشان به صداهای مختلف تعبیر می شوند. امواج صوت در مواد مختلف با سرعت های مختلفی سفر می کنند، اما معمولاً منظور از «سرعت صوت»، همان سرعت امواج صوتی در هوا در فشار اتمسفر یک بار و دمای ۲۰ درجه سلسیوس است که برابر ۳۴۳ متر بر ثانیه (۱۲۳۰ کیلومتر بر ساعت) است. برعکس، سرعت صوت در آب در همین دما برابر ۱۴۸۲ متر بر ثانیه است.

در مواد جامد، صوت هم به صورت طولی و هم به صورت عرضی منتشر می شود. در حالت عرضی «تنش برشی» (shear stress) به دنبال هم تولید می شود. امواج صوت در جامدات حتی در سرعت های بالاتر هم منتشر می شوند. هنگامی که این امواج توسط حرکت پوسته زمین تولید می شوند، امواج لرزه ای نامیده شده و به صورت زلزله احساس می شوند.

اثر داپلر

اثر داپلر (Doppler effect) اولین بار توسط فیزیکدان اتریشی کریسیتین داپلر (Christian Doppler) در سال ۱۸۴۲ مطرح شد. این اثر پدیده ای است که طول موج و بسامد امواج را زمانی که چشمه یا مشاهده گر در حرکت هستند تغییر می دهد. اگر چشمه یا مشاهده گر به هم نزدیک شوند، آنگاه قله های موج در بسامد بالاتری نسبت به حالت سکون شان به مشاهده گر می رسند و طول موجشان کوتاه تر اندازه گیری می شود، اگر چشمه و مشاهده گر از هم دور شوند، آنگاه قله های موج آهسته تر به مشاهده گر می رسند و طول موج، بلندتر ظاهر خواهد شد. ما معمولاً این اثر را هنگامی که یک آژیر آمبولانس به ما نزدیک شده و سپس رد شده و دور می شود تجربه می کنیم که در این فرایند از بسامد بیشتر به کمتر می رسد (طول موج کوتاه تر به بلندتر). اما همین پدیده تمام انواع امواج را تحت تأثیر قرار می دهد و مهم ترین ظهور آن از دیدگاه علمی جابه جایی داپلر در تابش الکترومغناطیسی است. این امر سبب می شود انور اجرامی همانند ستارگان دوردست که در حال حرکت به سوی ما هستند، طول موجی کوتاه تر داشته و دچار «انتقال به آبی» شود، در حالی که نور اجرام در حال دور شدن، از قبیل کهکشان های دوردست، کش آمده و دچار «انتقال به سرخ» شود.

اپتیک

نور و سایر تابش های مرتبط نزدیک به آن از یک خانواده امواج با ویژگی های منحصر به فرد است. در حالیکه نمی توانیم ساختار موجی آن را مستقیماً مشاهده کنیم، اما رفتار موج گونه خدشه ناپذیری مانند پراش و تداخل از خود بروز می دهد. نور یک موج عرضی است که می تواند بین محیط های واسط مختلف به سادگی عبور کند و از آنجایی که در جهت خود محدودیت ندارد می تواند کیفیت های جالبی نظیر تغییر قطبیدگی از خود بروز دهد. از آنجایی که نور مرئی یکی از اندک صورت های تابش الکترومغناطیسی محدود نشده توسط جو است، چشمان ما برای دریافت آن تکامل یافته اند و آن را به سیگنال های عصبی تبدیل می کنند تا توسط مغز پردازش شوند. درنتیجه بينار مهم ترین روش تفسیر ما از جهان پیرامونمان شد.

پس تعجبی ندارد که یک رشته کامل، به نام اپتیک، به مطالعه و کاربر نور و تابش های مرتبط با آن اختصاص داده شده باشد. این نم تنها شامل مطالعه خواص اوليه نور است، بلکه به روش های به کام آن برای تولید ابزارهای اپتیکی که دهن طبیعی ما را بهبود را می پردازد.

بازتاب

هنگامی که موج به مرز بین دو محیط واسط مختلف برخورد می کند، جهت خود را به گونه ای تغییر می دهد که به محیط اولیه بازگردد، این همان تعریف تکنیکی بازتاب است.

عموماً، دو روش بازتاب وجود دارد: آیینه ای (specular) و پراکنده (diffuse). در بازتاب آیینه ای، امواج در جهتی که به زاویه تابش (angel of incidence) و جهت سطح بازتابنده بستگی دارد، تغییر مسیر می دهند. درنتیجه، بسیاری از ویژگی های موج ورودی حفظ می شود و سطح بازتابنده یک تصویر مجازی (virtual image) تولید می کند که به نظر می رسد پشت مرز دو محیط قرار گرفته است. بازتاب آیینه ای آشناترین و برای امواج نور است و به یک سطح صیقلی بازتابنده نیاز دارد که آن را آیینه می نامیم. در بازتاب پراکنده، امواج از سطح بازتابنده هم زمان در همه جهان پراکنده می شوند، بنابراین با اینکه انرژی موج بازتابیده است، تصویر آن از بین می رود، مثل بازتاب از سطوح بار سطوح شفاف.

شکست

زمانی که یک موج مسیر حرکت خود را پس از عبور از مرز دو محیط عوض می کند اصطلاحاً می گوییم شکسته است. آشناترین حالت این پدیده زمانی است که به نظر می رسد وسيله درازی مانند نی نوشیدنی از مرز هوا و مایع رد شده، خم شده است، در حقیقت این پدیده به علت شکست نور در قسمت مایع است.

شکست زمانی رخ می دهد که مواد مختلف یک موج را با سرعت های متفاوتی از خود عبور می دهند. در اپتیک، نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در ماده ای دیگر را ضریب شکست آن ماده می گویند. شکست نور سبب می شود هنگامی که پرتو نور از محیطی با ضریب شکست کمتر به محیطی با ضریب شکست بیشتر وارد می شود، به سمت خط عمود بر مرز دو محیط خم شود، پدیده ای که با قانون هويگنس به خوبی توضیح داده شده است. انتقال از یک محیط با ضریب شکست بیشتر به محیطی با ضریب شکست كمت سبب می شود موج در جهت دیگر خم شود. قانون اسنل (Snell) زوایای درگیر و ضرایب شکست محیط هایی را که نور در آن ها منتقل معادله ای به هم ربط می دهد.

پراش

هنگامی که یک صف از امواج موازی از یک روزنه باریک رد می شود یا بخشی از مسیر آن توسط مانع سد می شود، اتفاق غیرمنتظره ای می افتد؛ پس از اینکه موج باریک شده از مانع عبور کرد شروع به پراکندگی یا انحراف می کند. این حالت آشناترین شکل این پدیده است که به پراش معروف است ؛ اثر مشابهی توسط امواج نوری هنگامی که از محیط های دارای ضریب شکست مختلف عبور می کند یا توسط امواج صوتی که در همین شرایط قرار بگیرند، خلق می شود. قانون هويگنس بهترین توصیف را برای پراش ارائه می دهد.

براش ابزاری ارزشمند برای مطالعه جنبه های مختلف امواج، به خصوص امواج نور است. الگوهای پراش حاصل تداخل باریکه هایی هستند که از دو شکاف باریک عبور می کنند و این شاهد محکمی بر طبیعت موجی نور است. مجموعه ای از شکاف های باریک نزدیک به هم (توری پراش) نور را مطابق با طول موجش پراکنده می کنند و در ابزارهای به جای منشورهای سنتی استفاده می شوند.

توان تفکیک

توانایی تشخیص جزئیات ریز و جداسازی اجسام بسیار نزدیک به هم را توان تفکیک می گویند. در کاربرد فنی توان تفکیک، دقتی است که بتوان با آن یک متغیر را در انواع اندازه گیری ها تعیین کرد. در علم نجوم و در ذره بین ها، توان تفکیک اپتیکی توانایی ما را برای دیدن اجسام بسیار ظریف با جدا کردن ستاره های دوتایی از هم تعیین می کند، اما اشناترین مورد برای ما پیکسل های صفحه نمایش رایانه است.

قدرت چشم ها برای تشخیص (فریب خوردن) این عنصرها تصویری جدا از هم به یک مفهوم اپتیکی عمومی به نام «توان تفکیک زاویه ای» بستگی دارد کوچک ترین مقدار زاویه ای که در آن زاویه دو چشمه نور نقطه ای می توانند به صورت اجسام جداگانه دیده شوند. مثلاً توان تفکیک زاویه ای میانگین چشم انسان حدوداً دقیقه قوس است (1/60درجه). در اصل، توان تفکیک زاویه ای به برهم کنش امواج پراشیده بستگی دارد که در نمودار تک بعدی نشان داده شده است. توان تفکیک تلسکوپ ها و میکروسکوپ ها به طراحی خاص آن ها بستگی دارد، اما می تواند با معادلات ساده ای به دست آید.

پراکندگی و جذب

زمانی که امواج در یک محیط با ذرات متحرک برهم کنش می کنند، از فرایندهای مختلفی تأثیر می گیرند که آن ها را پراکنده می کنند و مجموعاً به پراکندگی (scattering) معروف هستند. فرایندهای جذب (absorption) مرتبط نیز انرژی امواج را کاهش می دهد.

پراکندگی نور بسته به اینکه انرژی فوتون های جداگانه حفظ شده یا تغییر کند، می تواند کشسان یا ناکشان باشد. آشناترین صورت پراکندگی کشان که به پراکندگی رایلی (Rayleigh) معروف است، هنگامی رخ می دهد که نور با ذراتی که از طول موج آن کوچک تر هستند برهم کنش می کند: هرچه طول موج کوتاه تر باشد، اثر شدیدتر است. پراکندگی رایلی دلیل آبی دیده شدن آسمان و زرد دیده شدن خورشید در روز است (نزدیک غروب سبب قرمز دیده شدن آن ها می شود). یک رایج از پراکندگی ناکشان که به اثر کامپتون (scattering من معروف است سبب انتقال انرژی از یک فوتون (بسته های منفرد موج الکترومغناطیس) به ذرات باردار مانند الکترون می شود.

قطبیدگی

انواع خاصی از امواج عرضی۔ بیشتر نور و سایر صورت های امواج الکترومغناطیس می توانند در جهت های مختلفی نوسان کنند. به بیان دیگر، دو موج که از یک منبع بیرون آمده اند ضرورتاً در یک صفحه نوسان نخواهند کرد. قطبیدگی موج معیاری برای زاویه نوسان آن است. در مورد موج الکترومغناطیسی همان جهت مؤلفه میدان الکتریکی آن است. با وجود این، این پدیده پیچیده است؛ قطبیدگی یک موج می تواند در یک میدان الکترومغناطیس تغییر کند یا حتی همان طور که در فضا حرکت می کند دوران کند.

قطبیدگی خاصیتی مفید است چرا که می تواند اطلاعاتی درباره چشمه نور اولیه، با ساختار ماده ای که نور از آن بازتاب شده یا عبور کرده است، ارائه دهد. صافی های قطبیده که در آن ها بلورهای موازی «شبکه»ای تشکیل دهند که فقط به یکی از جهات مؤلفه ای نور اجازه عبور می دهند کمک می کنند که نورهایی با قطبیدگی های مختلف گزینش شوند و قرار بگیرند.

عدسی ها و منشورها

عدسی (lense) قطعه ای از شیشه یا ماده شفاف دیگری است که به صورت خاصی تراش خورده و برای هدایت مسیر پرتو نور به طوری که به سمت مرکز خاصی منحرف شود استفاده می شود. عدسی معمولاً از یک تکه شیشه با دو سطح ساخته شده، یکی از این سطوح یا هردوشان به صورت منحنی و متقارن حول محور مرکزی تراش خورده است. پرتو نور با زوایای مختلف به بخش های مختلف عدسی برخورد می کند و از ضخامت های مختلف شیشه رد می شود. شکست در بخش های مختلف عدسی سبب می شود پرتو نور با درجات مختلف منحرف گردد و می تواند برای ساخت ابزارهای ایتکی مختلف استفاده شود.

منشور (prism) نسبت به سایر ابزار اپتیکی این مزیت را دارد که پراکندگی نور عبوری از ماده در آن بر اساس طول موج آن صورت می گیرد. منشور یک تکه گوه مانند از شیشه است که سبب تجزیه بهتر نور می شود به طوری که یک تک پرتو نور ورودی بتواند به یک طیف نور شکسته شود.

تلسکوپ

تلسکوب ابزاری اپتیکی برای گرفتن نور از اجسام دور و تولید تصویر بزرگتر و قوی تر است. تلسکوپ از این مزیت که پرتو نور اجسام دور باهم موازی است، استفاده می کند و حتی یک تک ابزار اپتیکی (یک عدسی کار گذاشته شده در یک تلسکوپ شکستی با یک آیینه با سطح منحنی در یک تلسکوپ بازتابی) می تواند تمام پرتو نور ورودی از یک جهت معین را در یک نقطه یا کانون متمرکز کند.

هنگامی که پرتو نور به این نقطه می رسد و دوباره پراکنده می شود، می تواند توسط یک عدسی کوچک تر قطع شود که این قسمت را چشمی تلسکوپ می نامند. چشمی معمولاً پرتو نور را با همگرایی کمتری می شکند تا با چشم انسان، دوربین یا ابزار مشاهده گر دیگری دیده شود. تصویر حاصل هم بزرگتر شده (به دلیل اینکه چشمی به مانند یک شیشه بزرگ کننده رفتار می کند) و هم قوی تر است چراکه تلسکوپ فضای نورگیر بیشتری نسبت به چشم انسان دارد.

میکروسکوپ

در مقابل تلسکوپ، میکروسکوپ وسیله ای برای تولید تصویر بزرگتر از اجسامی است که نزدیک و بسیار کوچک هستند. ساده ترین نوع آن از یک عدسی محدب تشکیل شده (یک شیشه بزرگ کننده یا ذره بین) که پرتو نورآمده از جسم مورد بررسی را به طور تقریباً موازی می شکند؛ بنابراین به نظر می رسد که نور از یک «تصویر مجازی» با قطر زاویه ای و اندازه بزرگتر از جسم اصلی پراکنده شده است. میکروسکوپ های پیچیده تر از چند عدسی استفاده می کنند. یک عدسی شیئی قوی نور را در کانونی داخل لوله خم می کند و یک «تصویر واقعی» تشکیل می دهد، به طوری که انگار از این نقطه کانونی پراکنده شده است، حيث یک یا چند عدسی ساخته شده که این پرتو نور را به سمت کم عمق تر و موازی تری شدن هدایت می کند و دوباره یک تصویر مجازی بزرگتر می سازد. به دلیل اینکه میکروسکوپ ها اجسام حقیقی کوچک را بزرگ می کنند به روشن سازی قوی تری نیاز دارند (یا از بالای جسم یا اگر جسم به صورت برشی نازک روی شیشه آماده شده از پشت آن) تا بتوانند تصویر روشن با وضوح بیشتری تولید کنند.

توری پراش

توری پراش (diffracting grating) ابزاری برای شکست و پراکندگی نور براساس طول موج آن در جهات مختلف است. توری پراش، معمولاً از الگوی خطوط موازی با فاصله کم تشکیل شده است که این خطوط سطح بازتابنده یا عبور دهنده نور را به مناطق خطی مجزا تقسیم می کنند. پراش و تداخل نورهایی که به بخش های مختلف توری برخورد می کنند، سبب می شود نور براساس طول موجش در زوایای مختلف پراکنده شود هرچه خطوط به یکدیگر نزدیک تر باشند پراکندگی بیشتر است. توری ها، به دلیل اینکه نور کمتری نسبت به منشور شیشه ای جذب می کنند و می توانند نور را در زوایای بزرگتری پراکنده کنند در تولید طیف یا جداسازی طول موج های خاص مورد استفاده قرار می گیرند. قاعده پراش در قرن هفدهم توسط دانشمند اسکاتلندی جیمز گرگوری (James Gregory) براساس بررسی پرهای پرنده رنگین کمانی کشف شد. توری پراش ممکن است بازتابنده یا عبور دهنده باشد. طراحی توری بازتابنده می تواند از خطوطی برجسته روی سطحی آیینه ای ساخته شده باشد، درحالی که توری انتقالی می تواند از خطوط ماتی که روی شیشه شفاف چاپ شده است یا حتی شبکه ای از سیم های کم فاصله ساخته شده باشد.

تداخل سنجی

تداخل سنجی (interferometry) روش های مختلف بررسی و مطالعه طرح های تداخل امواجی است که روی هم افتاده اند. با اینکه در حوزه نظری می توان از هر نوع موجی تداخل ایجاد کرد اما در عمل تداخل سنجی بیشتر شامل نور و سایر امواج الکترومغناطیسی می شود. در بیشتر موارد پرتو نور منسجم ناشی از چشمه اولیه با گذشتن از آیینه ای نیمه نقره اندود به دو پرتو «مرجع» (reference beam) و «نمونه» (sample beam) شکسته می شود، سپس قبل از اینکه دو پرتو دوباره ترکیب شوند و اجازه تداخل بیابند پرتو نمونه اصلاًح می شود.

تداخل سنج ها طراحی ها و روش های کارکرد مختلفی دارند؛ به عنوان مثال می توانند برای اندازه گیری های دقیق مانند ژیروسکوپ ها و حسگرهای چرخش، آزمون ابزارهای اپتیکی، آنالیز مواد و حتی در صافی های جلوگیری از تابش های ناخواسته استفاده شوند. تداخل سنج ها حتی می توانند برای بررسی پرسش های اساسی درباره جهان نیز استفاده شوند.

ترمودینامیک

فرایندهای فیزیکی بی شماری وجود دارند که در آن ها انتقال انرژی به صورت گرما بین مواد و موقعیت های مختلف صورت می گیرد. ترمودینامیک شاخه ای از فیزیک است که به مطالعه گرما و راه های انتقال آن می پردازد. هرچند ترمودینامیک در نگاه اول حوزه ای بسیار خاص با کاربرد محدود به نظر می رسد، اما در بیشتر شاخه های فیزیک کاربردهای بسیار مهمی دارد، از پیش بینی رفتار اتم ها گرفته تا تعیین سرنوشت نهایی جهان.

ترمودینامیک در قرن های هجدهم و نوزدهم با بررسی موتورهای بخار توسعه یافت. با اینکه چنین ماشین هایی انقلاب صنعتی را تقویت می کردند، اما پیش از آنکه دانشمند فرانسوی نیکلاس سادی کارنو (Nicolas Leonard Sadi Carnot) در دهه ۱۸۳۰ مدل خود را برای موتورهای «گرمایی» (heat engines) توسعه دهد، قوانین فیزیکی در پس آن ها به خوبی شناخته نشده بود. ترمودینامیک کلاسیک به جای بررسی تک تک اتم های مواد، در محدوده مقیاس بزرگ با خواص «ماکروسکوپی» مواد کار می کند. با وجود این، همان طور که در نظریه جنبشی گازها می بینیم، قوانین ضروری ترمودینامیک می توانند به طور آماری با مدل سازی برای رفتار میانگین تعداد زیادی از ذرات به دست آیند.

مفاهیم دما و گرما در مرکز ترمودینامیک قرار دارند. گرما صورتی از انرژی است که می تواند بین مواد منتقل شود، در حالی که دما ویژگی ذاتی - اما قابل تغییر مواد است. در مکانیک آماری، دما به صورت بازتاب جنبش یا انرژی جنبشی درون ذرات جداگانه تعبیر می شود. با بالا رفتن دمای ماده انرژی جنبشی میانگین اتم ها یا مولکول ها افزایش می یابد.

بسته به ساختار درونی ماده، مواد مختلف به روش های مختلفی به گرما واکنش نشان می دهند، یعنی اگر مقادیر یکسان گرما به مقدار یکسانی از دو ماده اعمال شود، دمای آن ها را به دو اندازه مختلف بالا می برد. واکنش یک ماده به اعمال گرما با کمیتی به نام ظرفیت گرمایی توصیف می شود، در حالی که انتقال بین دو حالت ماده به انرژی اضافی یا حذف انرژی نیاز دارد که به آن گرمای نهفته می گویند.

دما و اندازه گیری آن

در سطح میکروسکوپی، دمای یک ماده به سادگی بیان کننده انرژی جنبشی میانگین ذرات جداگانه آن است. چه اینکه ذرات در دام شبکه بلور میله ای آهنی باشند، چه در یک ابر بخار آزادانه شناور باشند. بیشتر سیستم های اندازه گیری دما براساس یک ویژگی ماکروسکوپی ماده، که هم زمان با تغییر انرژی جنبشی آن تغییر می کند، کار می کنند. در این سیستم ها دو نقطه ای که بین شان آن ویژگی تغییر می کند، در روشی خطی یا روشی با کمترین ریاضیات، انتخاب شده و سپس مقیاسی بین این دو نقطه تعیین می شوند؛ مثلاً دماسنج های جیوه ای سنتی، بر اساس اینکه فلز مایع زمانی که بین دو دمای انجماد و جوش آب قرار بگیرد منبسط می شود کار می کنند (چون انرژی جنبشی به اتم های آن منتقل می شود). دماسنج الکترونیکی بر اساس تغییر خاصیت رسانش یا مقاومت فلزهای خاصی کار می کند، در حالی که آذرسنج ها یا دماسنج های فروسرخ مستقیماً از تابش جسم برای اندازه گیری دمای آن استفاده می کنند.

صفر مطلق

بسیاری از دماسنج ها و مقیاس های دما برای اندازه گیری محدوده دما در زندگی روزمره طراحی شده اند؛ مثلاً مقیاس متداول سلسیوس (Celsius) براساس نقطه انجماد و نقطه جوش آب در فشار استاندارد است؛ اما با اینکه برای اهداف عملی مقیاس های دمایی حد بالا ندارند ( از این رو که انرژی جنبشی ذرات می تواند تا بی نهایت زیاد شود) قطعاً یک حد پایینی وجود دارد. این حد پایین همان صفر مطلق است. دمایی که در آن ذرات تمام انرژی جنبشی شان را از دست می دهند و متوقف می شوند.

صفر مطلق معادل منفی 15/273 درجه سلسیوس است و با اینکه دسترسی به آن در آزمایشگاه غیرممکن است، دانشمندان به آن بسیار نزدیک شده اند و در همین فرایند حالاتی چون ابر رسانایی و ابر شارگی را کشف کرده اند. فیزیکدان انگلیسی لرد کلوین (Lord Kelvin) اولین کسی بود که مقیاس دمایی بر اساس صفر مطلق پیشنهاد داد. مقیاس کلام از فواصل دمایی مانند سلسیوس استفاده می کند بنابراین صفر درجه سلسیوس برابر 15/273 کلوین و ۱۰۰ درجه سلسیوس، برابر 15/373 کلوین است.

انتقال گرما

گرما به سه روش اصلی در یک ماده حرکت می کند و می تواند از یک مکان به مکان دیگر منتقل شود، این سه روش معمولاً به عناوین همرفت، رسانش و تابش توصیف می شوند.

همرفت (convection) حرکت توده ای از ماده گرم در محیط سرد است؛ همان طور که در آب در حال جوش دیده می شود؛ مناطق گرم تر منبسط شده و چگالی شان کمتر می شود که همین امر سبب می شود به سوی بالای بخش های چگال تر حرکت کنند. رسانش (conduction) انتقال گرما بین ذرات در یک مقیاس میکروسکوپی است. برخورد ذرات گرم و سریع تر با ذرات سرد و کندتر انرژی جنبشی و دمای ذرات سردتر را افزایش می دهد ؛ اما ذرات خودشان به صورت حجمی در ماده رسانای گرما حرکت نمی کنند.

درنهایت، انتقال گرما به واسطه پرتوهای الکترومغناطیسی را تابش (radiation) می گویند. تمام مواد پیوسته در حال گسیل و جذب تابش از محیطشان هستند و این تنها شکل انتقال گرماست که می تواند در خلاء روی دهد.

آنتالپی و آنتروپی

این دو کمیت مرتبط به هم برای توصیف پراکندگی انرژی در سیستم های ترمودینامیکی استفاده می شوند. آنتالپی (enthalpy) (با حرف H نشان داده می شود) انرژی کل درون یک سیستم است که دربردارنده انرژی لازم برای تولید آن و جابه جایی محیط اطراف آن است. با اینکه آنتالپی نمی تواند مستقیماً اندازه گیری شود، تغییرات آن می تواند اندازه گیری شود: هنگامی که انرژی به یک سیستم اضافه می شود فرآیند گرماگیر نامیده می شود، زمانی که، برعکس، انرژی از دست میدهد فرآیند گرماده است.

آنتروپی (entropy)، که با (S) نمایش داده می شود، ویژگی ای پیچیده تر است به این صورت که مقدار انرژی گرمایی در یک سیستم است که برای انجام کار مکانیکی در دسترس نیست. در مقیاس میکروسکویی، اغلب به صورت مقیاسی برای میزان اغتشاش درون یک سیستم و آخرین درجه ای است که انرژی درنهایت به طور مساوی بین ذرات پخش می شود و هیچ نابرابری ترمودینامیکی که بتواند طبق قانون دوم ترمودینامیک برای کار گذاشته شود، وجود ندارد. آنتروپی درون سیستم به طور اجتناب ناپذیری افزایش می یابد مگر اینکه برای جبران آن کار خارجی انجام شود.

قوانین ترمودینامیک

چهار قانون اساسی ترمودینامیک کمک می کنند تا بسیاری از کمیت های مهم میدانی شامل دما، انرژی و آنتروپی تعیین شوند.

ضروری ترین این قوانین با یک اتفاق تاریخی قانون صفرم (zeroth law) نام گرفت (فقط به دلیل اینکه بعد از آن سه تای دیگر صورت بندی شد). این قانون بیان می کند که اگر دو جسم با جسم سوم در تعادل گرمایی باشند (انتقال گرمایی بین آن ها انجام نشود)، پس آن دو جسم با یکدیگر نیز در تعادل گرمایی هستند.

قانون اول بیان می کند که هردوی گرما و کار صورت های انتقال انرژی هستند و اینکه انرژی داخلی یک سیستم بسته در صورتی تغییر می کند که گرما توسط کاری که روی سیستم یا توسط آن انجام شده باشد، به بیرون یا درون سیستم منتقل شود. به زبان ساده تر می گوید انجام کار انرژی را حتی از کار آمدترین سیستم ها هم بیرون می کشد و بنابراین وجود ماشین های حرکت ابدی (که مدعی هستند می توانند بدون مصرف انرژی کار کنند) طبق قوانین فیزیک منتفی است.

آنتروپی در سیستمی بسته هیچ وقت کاهش نمی یابد و قانون دوم بیان می کند که چنین سیستمی قطعاً به سمت حالت تعادل ترمودینامیکی تحول می یابد مگر اینکه کار خارجی روی آن اعمال شده و مانع شود. به دلیل اینکه تعادل گرمایی حالتی است که در آن آنتروپی در بیشترین حالت خود است، قانون دوم می تواند با عبارت «افزایش انتروپی» هم بیان شود.

قوانین ترمودینامیک نه تنها به توصیف جملاتی که در مباحث ترمودینامیکی مطرح می شوند می پردازد، بلکه کاربردهای عمیق کیهان شناسی و فلسفی نیز دارد. عبارت ساده قانون دوم برگشت ناپذیری «پیکان زمان» (arrow of time) را به فیزیک می آورد، درحالی که قوانین دوم و سوم باهم سرنوشت تمام دنیا را به عنوان بزرگترین سیستم بسته به صورت سرد شدن طولانی و آهسته تا «مرگ گرمایی» (heat death) تعیین می کنند، حالتی که در آن هیچ تفاوت دمایی وجود ندارد، البته مگر اینکه نیروهای دیگری در این اثنا دخالت کنند.

در نهایت، قانون سوم ترمودینامیک بیان می کند آنتروپی یک سیستم تنها در صورتی به سمت یک مقدار مشخص میل می کند، که دمای آن به صفر مطلق برسد. مقدار دقیق آنتروپی به ویژگی های کوانتومی سیستم بستگی دارد اما برای ماده ای با ساختار بلورین کامل، آنتروپی هم در صفر مطلق برابر صفر خواهد شد.

ظرفیت گرمایی

ظرفیت گرمایی (heat capacity) جسم مقداری گرمایی است که برای افزایش دمای مقدار معینی از آن لازم است. ظرفیت گرمایی به جنس ماده ای که جسم از آن ساخته شده است و به دیگر ویژگی های مختص آن ماده بستگی دارد.

ظرفیت گرمایی مولی برابر ظرفیت گرمایی یک مول از ماده است، درحالی که ظرفیت گرمایی ویژه برابر ظرفیت گرمایی در واحد جرم ماده است که با واحدهایی همچون ژول بر کلوین بر کیلوگرم اندازه گیری می شود. مواد با ظرفیت گرمایی های ویژه کم گرما را سریع هدایت می کنند، درحالی که مواد دارای ظرفیت گرمایی ویژه بالاتر گرما را جذب کرده و مانند عایق رفتار می کنند.

ظرفیت گرمایی یک ماده با چگونگی تبدیل انرژی گرمایی به انرژی جنبشی با لرزشی اتم های جداگانه تعیین می شود. روش های مختلف دیگری بسته به ساختار ماده وجود دارد که در آن ها انرژی می تواند بدون افزایش انرژی جنبشی جذب شود؛ مثلاً همان گونه که انرژی پتانسیل به صورت بندی درون اتمی یا ذرات زيراتمی مربوط است.

گرمای نهان

در بسیاری شرایط، اضافه کردن گرما به یک جسم یا سیستم سبب افزایش دما می شود، اما این حالت همیشه اتفاق نمی افتد.

گاهی، انرژی داده شده شکل های دیگری از «کار» ترمودینامیکی را درحالی که دما ثابت است، انجام می دهد. انرژی جذب شده در طول این فرایند و انرژی آزاد شده در شرایط برعکس) گرمای نهان یا آنتالپی آن جسم نامیده می شود و در حالت ماده «گذار فاز» (phase transition) رخ می دهد. معروف ترین گذار فازها تغییر در حالت های جامد به مایع در فرایند آب شدن و مایع به گاز در فرایند جوشیدن است. شکستن یا باز نظم دهی پیوندهای درون اتمی یا درون مولکولی در طول این فرایندها به یک انرژی ورودی نیازی دارد به طوری که این فرآیندها گرماگیر (endothermic) توصیف می شوند. از طرف دیگر، چگالش (condensation) یا انجماد انرژی آزاد می کنند و گرماده (exothermic) هستند. مقادیر گرمای درگیر در این دو فرایند به گرمای نهان (آنتالپی ذوب و تبخیر معروف هستند) معمولاً در واحد ژول بر کیلوگرم اندازه گیری می شوند، معمولاً گرمای نهان تبخیر بزرگتر از گرمای نهان ذوب است.

موتورهای گرمایی

در چارچوب ترمودینامیک، هر سیستمی که از انرژی گرمایی برای انجام کار مکانیکی استفاده کند، موتور گرمایی نام دارد. در عمل، موتورهای گرمایی با افزایش دمای «ماده کاری» (working substance) کار می کنند و سپس از آن ماده، برای انجام کار استفاده می کنند، در حالی که گرمای اضافی به یک چاه (sink) سردتر باز می شود و بدین ترتیب «چرخه گرمایی» (heat cycle) کامل می شود. از دیدگاه نظری موتورهای گرمایی می توانند از هر نوع ماده کاری استفاده کنند، اما در عمل، گازها یا مایع ها معمولاً (سیالات کاری) ترجیح داده می شوند. موتورهای بخار شاید یک نمونه کلاسیک از این نوع موتورها باشند که کار را با انبساط و فشردگی سیال کاری (آب) در طول تبخیر در یک مرحله چرخه و سپس چگالش مجدد آن به مایع انجام می دهند. با وجود این، تغییر فاز فیزیکی همیشه ضروری نیست؛ مثلاً موتورهای احتراق داخلی بر اساس انبساط و انقباض گاز عمل می کنند. یخچال نمونه ای از «پمپ گرمایی» (heat pomp) است؛ یک موتور گرمایی برعکس که در آن کار مکانیکی برای انتقال گرما در یک سیستم استفاده می شود و یک قسمت از آن را خنک می کند.

چرخه کارنو

در سال ۱۸۲۳، نیکلاس لئونارد سادی کارنو (Nicolas Léonard Sadi Carnot) دانشمند فرانسوی، کارآمدترین چرخه گرمایی را برای استفاده در یک موتور گرمایی (تبدیل انرژی گرمایی به کار) یا یک پمپ گرمایی (تبدیل کار به یک اختلاف گرمایی) طراحی کرد. این چرخه شامل یک گاز کاری است که در یک استوانه با یک پیستون متحرک در یک انتهای آن مهر و موم شده است. گرما از یک مخزن (reservoir) گرم تامین می شود و در یک چاهک (sink) سرد پس داده می شود. هنگامی که ماشین گرمایی کار می کند، چرخه به این شکل پیش می رود.

گاز به صورت هم دما (isothermal) در دمای بالای ثابت TH ( high temperature) منبسط می شود و روی پیستون کار انجام می دهد. در این مرحله، انبساط توسط جذب انرژی گرمایی و انتروپی از مخزن تامین می شود.

انسباط ادامه می یابد، اما اکنون گاز انرژی داخلی اش را از دست می دهد سرد می شود. با وجود این، در کل هیچ انرژی ای از سیستم کم نمی شود. درنهایت به «دمای سرد» Tc می رسد.

اکنون پیستون روی گاز کار انجام می دهد، به طوری که گاز دستخوش فشردگی هم دما در دماي TC می شود. در این مرحله، انرژی گرمایی و آنتروپی از دست رفته و به چاه می روند.

درنهایت، فشردگی ادامه می یابد، اما گاز انرژی داخلی اش را افزایش می دهد و دمای آن به TH برمی گردد.

چرخه کارنو بیشتر نظری است؛ این چرخه سیستمی ایده آل را به تصویر می کشد که در آن استوانه و پیستون خودشان نه گرما جذب می کنند و نه گرما پس می دهند، مخزن و چاه نیز ویژگی هایشان را حفظ می کنند. هیچ موتور گرمایی نمی تواند چنین کارآمد کار کند، اما چرخه کارنو هنوز روشی مفید برای درک تغییرات موجود در مرحله های مختلف هر چرخه گرمایی در دنیای واقعی ارائه می دهد.

الكترومغناطیس

امواج الکترومغناطیس یکی از راه های کلیدی شناخت جهان هستند این امواج توسط تمام انواع موادی که در زندگی روزمره با آن ها آشنا هستیم تابش و جذب می شوند و انرژی را بین اجسام و حتی در فضای خلاء منتقل می کنند. آشکارترین شکل الکترومغناطیس نور مرئی است. نور مرئی بخشی بسیار کوچک از طیف الکترومغناطیسی پهناوری است که چشمان ما برای واکنش به آن تکامل یافته است. هیچ چیز ذاتی خاصی در مورد آن وجود ندارد، اما همین مطالعات ویژگی های نور است که دانش ما را درباره الکترومغناطیس و کشف تابش های مرئی همچون فروسرخ، فرابنفش و اشعه X گسترش داده است.

با این حال ماهیت دقیق الکترومغناطیس همیشه مشکل ساز بوده است؛ زیرا در بسیاری از شرایط و در برخی از آزمایش ها ویژگی های موجی از خود بروز می دهد؛ مانند زمانی که در معرض پراش، شکست و تداخل قرار می گیرد. اما این موج در خلا نیز بدون هیچ ماده واسطه ای که حملش کند حرکت می کند و در شرایط خاص به گونه ای که انگار از ذرات جداگانه یا فوتون ساخته شده است. قابل درک ترین روش برای آشتی برقرار کردن میان این تفاوت ها این است که نور و دیگر صورت های الکترومغناطیس را به صورت «بسته های» انرژی تصور کنیم که خواص موج گونه را در خود فشرده دارند، اما حقیقت از این هم عجیب تر است.

به هر روی در شرایط بسیاری می توانیم امواج الکترومغناطیس را به صورت میدان های خود نگه دار که در فضا به صورت موج های عرضی حرکت می کنند در نظر بگیریم، که مؤلفه های الکتریکی و مغناطیس آن بر هم عمود هستند به طوری که اختلال در میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی را تقویت می کند و بالعکس. این امواج در خلا با سرعت ۲۹۹ , ۷۹۲ کیلومتر بر ثانیه حرکت می کنند. این مقدار ثابتی طبیعی موسوم به c است که ثابت شده حد نهایی سرعت در جهان است.

به این دلیل که سرعت امواج الکترومغناطیس ثابت است، مشاهده اینکه طول موج و بسامد آن ها ذاتاً به هم مرتبط هستند و باهم تناسب معکوس دارند، ساده است؛ طول موج بیشتر، بسامد کمتر را نتیجه می دهد و بالعكس. مقدار انرژی ای که توسط یک موج حمل می شود به بسامد بلی دارد، موج های دارای بسامد بیشتر، مانند اشعه X، انرژی بیشتری از نور مرئی حمل می کند و امواج با بسامد کمتر مانند فروسرخ و امواج رادیویی انرژی کمتری حمل می کنند.

نور مرئی

نوری که برای چشمان ما قابل رؤیت است در یک محدوده باریک از طول موج ها، بین ۳۹۰ تا ۷۴۰ نانومتر (nm) قرار دارد. تنها نکته قابل توجه در مورد آن این است که یکی از اندک موج هایی است که از جو زمین رد می شود و بنابراین بیشتر حیات روی زمین به گونه ای تحول یافته است که از طریق اعضای مختلف بدن به خصوص چشم ها از این مزیت بهره مند شوند.

آیزاک نیوتن در سال ۱۶۶۶ ثابت کرد که ظاهراً نور سفید خالص که از خورشید به زمین می رسد در حقیقت ترکیبی از رنگ ها و طول موج های مختلف است که می تواند با عبور از یک منشور جداسازی شود.

فرآیندهایی چون پراش و شکست روی رنگ های مختلف نور بر اساس طول موج آن ها تأثیر می گذارد. نور مرئی تنها توسط فرآیندهای نسبتاً پرانرژی تولید می شود و توسط اجسامی که تا هزاران درجه سلسیوس گرم شده اند، تابش می شود. تقریباً تمام نورهای طبیعی روی زمین درنهایت از خورشید ناشی می شوند.

تابش فروسرخ

تابش الکترومغناطیسی با طول موج های کمی بلندتر از قرمزترین نور مرئی، تابش فروسرخ یا مادون قرمز (infrared radition) نام دارد.

تابش فروسرخ اولین تابش نامرئی است که منجم انگلیسی زاده آلمان، ویلیام هرشل (William Herschel) در سال ۱۸۰۰ کشف کرد. هرشل در خلال آزمایش اندازه گیری دمای مربوط به طول موج های مختلف نور خورشید کشف کرد که در ورای قرمزترین نور مرئی کماکان گرما تولید می شود. فروسرخ تابشی است با طول موج بین ۷۴۰ نانومتر و 1 میلی متر و با فرایندهایی کم انرژی تر از نور مرئی گسیل می شود و می توان آن را «تابش گرمایی» پنداشت. تقریباً تمام اجسامی که فروسرخ تابش می کنند بسامدهای مرتبط با دمایشان را تابش می کنند. اجسام داغ مانند خورشید اغلب امواج پرانرژی تر فروسرخ نزدیک را تابش می کنند، درحالی که اجسام سردتر مانند بدن انسان فروسرخ میانه را می تابانند و سردترین اس فقط فروسرخ دور تابش می کنند. این تابش ها کاربردهای فراوانی دارد؛ از ابزارهای تصویربرداری کرمایی و کنترل از راه دورهای بی سیم گرفته تا آشکارسازهای نجومی.

امواج رادیویی

وجود امواج رادیویی (radio waves) را فیزیکدان اسکاتلندی جیمز کلرک ماکسول (James Clerk Maxwell) بر اساس مدل موج الکترومغناطیسی خود برای نور و سایر تابش ها، در سال ۱۸۶۷ پیش بینی شد. بیست سال بعد دانشمند آلمانی هنریش هرتز (Heinrich Hertz) موفق به تولید، انتقال و دریافت این امواج شد. رادیو دارای بلند ترین طول موج و کمترین انرژی تابش است که از طول موج 1 میلی متر در انتهای «موج کوتاه» طیف رادیو تا صدها متر یا حتی کیلومتر در انتهای «موج بلند» آن را در بر می گیرد. همچنین محدوده بسامدهایی از ۳۰۰ گیگاهرتز (۳۰۰ میلیون دور موج در ثانیه) از یک طرف تا ۳ کیلوهرتز از طرف دیگر را شامل می شود.

امواج رادیویی را می توان به کمک آنتن ویژه ارسال کرد و با آنتنی مشابه دریافت کرد؛ در آنتن فرستنده جریان الکتریکی نوسانگر میدانی الکترومغناطیسی تولید می کند که در آنتن گیرنده، برهم کنش آن با امواج رادیویی عبوری باعث القای جریان نوسانی می شود. با به کارگیری امواج رادیویی حامل (modulated) ارسال اطلاعات به فواصل ممکن می شود.

مایکروویو

مایکروویوها یا ریزموج ها با طول موج های بین ۱ میلی متر و 1 متر، متناظر با بسامدهای بین ۳۰۰ گیگاهرتز تا ۳۰۰ مگاهرتز، امواج رادیویی با کوتاه ترین طول موج و بیشترین انرژی هستند. این محدوده طول موج، آن ها را برای برخی از کاربردها ایده ال می کند چرا که آن ها انرژی قابل توجهی را حمل می کنند و می توانند به صورت پرتوهای بسیار باریک دربیایند. کاربردهای آن ها شامل ارتباطات رادیویی «نقطه به نقطه» ( point - to - point )، رادار (radar) و البته فر مایکروویو (microwave oven) می شود. تولید مایکروویوها (مخصوصاً آن ها که دارای بالاترین انرژی هستند) نیازمند استفاده از وسایل خاصی همچون مگنترون (magnetron) است که در آن الکترون های پرسرعت توسط میدانی مغناطیسی در یک مسیر مارپیچ قرار می گیرند تا موجی با بسامد بالا تولید کنند.

مایکروویوها در طبیعت نیز پراکنده هستند و با فرآیندهای نجومی مختلفی تولید می شوند (همچنین این امواج بیشترین میزان جذب در جو زمین را دارند). شاید مهم ترین سیگنال های مایکروویو همان هایی باشند که توسط واپاشی پس از مه بانگ (Big Bang) تولید شدند.

تابش فرابنفش

تابش الكترومغناطیس با طول موج های کمی کوتاه تر از نور مرئی به فرابنفش یا UV معروف است. این تابش در سال ۱۸۰۱ درست یک سال پس از فروسرخ کشف شد، هنگامی که فیزیکدان آلمانی یوهان ويلهلم اریتر (Johann Wilhelm Ritter) دریافت که کلرید نقره حساس به نور، نسبت به پرتو ماورای بنفش حاشیه طیف، بیشتر از نور مرئی واکنش می دهد. در حقیقت قدرت UV در راه انداختن واکنش های شیمیایی و نیز تحریک مواد فلورسنت به تابش در گستره نور مرئی، هنوز یکی از کاربردهای مهم علمی و تجاری فرابنفش از پزشکی قانونی گرفته تا بهداشت و دانش مواد است. امروزه فرابنفش به عنوان تابشی با طول موج های از ۱۰ تا ۴۰۰ نانومتر شناخته می شود. فرابنفش بخش قابل توجهی از خروجی انرژی خورشید را تشکیل می دهد و می تواند اثراتی مضر چون آفتاب سوختگی و سایر واکنش های شیمیایی در پی داشته باشد. خوشبختانه مقدار زیادی از فرابنفش توسط لایه ازون در جو زمین مسدود می شود، اما تقریباً ۳ در صد از انرژی خورشیدی که به سطح زمین می رسد هنوز به صورت فرابنفش است.

پرتوهای X

پرتو پرانرژی و نافذ X اولین بار در ۱۸۹۵، توسط فیزیکدان آلمانی ویلهلم رنتگن (Wilhelm Rontgen)، به عنوان تابشی مجزا، شناسایی شد. رنتگن هنگامی که آزمایشش را با استفاده از لامپ های کروکس (Crookes tubes) (نوعی لامپ تخلیه بار که شبیه لامپ پرتو کاتد است) هدایت می کرد، کشف کرد که برخی از صورت های تابش نامرئی که از دستگاهش می آمدند، صفحه عکاسی او را مات می کنند. این اتفاق حتی زمانی که صفحه را با لایه ای از مقوای سیاه پوشانده بود نیز اتفاق افتاد؛ بنابراین دانش رادیوگرافی با استفاده از پرتوهای X برای نگاه کردن داخل مواد نفوذ ناپذیر و تصویربرداری از مواد غیر شفاف متولد شد.

پرتوهای X با طول موج های بین 01/0 تا ۱۰ نانومتر، از بسیاری از مواد مانند عدسی ها و آیینه های معمول به راحتی عبور می کنند. متمرکز کردن و دست کاری این پرتوها معمولاً به تکنیک های خاصی نیاز دارد و توانایی آن ها برای تخریب سلول های انسان به معنای لزوم رعایت پرتودهی محدود و حفاظت قوی است. خوشبختانه، با اینکه بسیاری از احسام نجومی پرتو X تولید می کنند، جو زمین محافظی جاذب و مؤثر برای ما فراهم می کند.

پرتوهای گاما

پرتوهای گاما (gamma rays) که دارای کمترین طول موج و بیشترین انرژی هستند در اواخر قرن بیستم توسط فیزیکدانانی که فرایندهای واپاشی پرتوزا را بررسی می کردند، کشف شد. پرتوهای گاما اغلب در طول فرآیندهای واپاشی به صورت رادیوایزوتوپ های جداگانه که انرژی اضافی شان را صادر می کنند، تابش می شود. این پرتوها مقدار زیادی از انرژی را حمل می کنند و یونیزه هستند؛ به بیان دیگر می توانند هر ماده ای را که به آن برخورد می کنند به طور شیمیایی تغییر دهند. از طرف دیگر، این طول موج های بسیار کوتاه

(تعیین مرز دقیق بین پرتوهای X و گاما تغییر می کند، اما طول موج آن ها معمولاً کمتر از ان, نانومتر است) به آن ها اجازه می دهد بدون برهم کنش از مواد بسیاری عبور کنند.

جدا از چشمه های پرتوزا، پرتوهای گاما می توانند توسط فرایندهای پرانرژی مانند رعدوبرق و در فضا با تپ اختر و سیاه چاله ها تولید شوند. به رغم اینکه متمرکز و دستکاری کردن آن ها غیرممکن است، اما چشمه های پرتوگامای کنترل شده استفاده های زیادی در پزشکی و بهداشت دارند.

طیف سنجی

محدوده وسیعی از فرآیندهای طبیعی و مصنوعی هستند که یک یا چند نوع از انرژی الکترومغناطیسی تولید می کنند اما فرآیندهای کمی هستند که مقادیر یکسان انرژی را به شکل برابر در تمام طول موج ها و بسامدها آزاد می کنند. در عوض، توزیع انرژی در طول طيف اغلب در طول موج های خاصی قوی تر یا ضعیف تر می شود. طیف سنجی بررسی این نقوش است.

یک طیف سنج مدرن متعارف از توری پراش به جای منشور استفاده می کند تا یک طیف را از یک باریکه نور به سمت عدسی چشمی روی یک مقوای عکس متحرک یا به سمت یک آشکارساز مانند دوربین CCD رسم کند. رسم طیف روی مقوای عکس سبب اندازه گیری دقیقی از «زاویه پراکندگی» (dispersion angle) می شود.

طیف سه شکل عمومی دارد: طیف گسیلی (emission spectrum) که در آن تمام تابش منتشرشده به یک سری طول موج معین محدود فشرده می شود، طیف پیوسته (continuum spectrum) که در آن تابش در محدوده وسیعی از طول موج ها منتشر می شود (مثل تابش جسم سیاه)، و طیف جذبی (absorption spectrum) که در آن یکی از دو شکل طیف گسیلی با «خطوط جذبی» تاریک و خوش تعریف ( well - defined )، ناشی از مداخله گاز سردتر، روی هم قرار گرفته اند. طیف پیوسته و طیف گسیلی معمولاً توسط اجسام در حال احتراق یا برانگیخته شده الکتریکی منتشر می شود، درحالی که طیف جذبی توسط اتم ها و مولکول های کم انرژی (مثلاً از ماده مداخله کننده سرد) که تابش طول موج های خاصی را از یک طیف پیوسته یا گسیلی جذب می کنند، تولید می شود.

هر دو فرایند گسیل و جذب به ساختار اتمی مواد شیمیایی درگیر مرتبط هستند چراکه ناشی از الکترون های درون اتم ها هستند که انرژی را جذب یا آزاد می کنند تا بین دو سطح (تراز) انرژی متمایز جابه جا شوند. مجموعه مشخصات خطوط جذب یا گسیل می توانند به عنوان اثرانگشت شیمیایی برای تشخیص ترکیب مولکولی و عنصری اجسام دور یا غیرقابل دسترس استفاده شوند. همچنین تعریف خاص این مجموعه ها ابزار مناسبی برای متصل کردن طول موج های خاصی از نور که منتشر با جذب مواد خاص می شوند به فیزیکدان ها ارائه می دهد؛ که هنگام جابه جایی طول موج یا انرژی کل طیف جسم؛ درنتیجه پدیده هایی مانند اثر داپلر یا میدان های مغناطیسی قوی ابزار بسیار مفیدی است.

فوتون

فوتون یک ذره بنیادین نور است؛ کوچک ترین بسته غیرقابل تقسیم یا «کوانتوم» تابش الکترومغناطیسی است. این نظر که اشعه الكترومغناطیسی، درحالی که بیشتر رفتارش مشخصاً موج گونه است، می تواند به صورت جریانی از ذرات رفتار کند، ممکن است گیج کننده به نظر برسد، اما تنها روش توضیح پدیده هایی همچون اثر فوتوالکتریک همین است. اکنون این دوگانگی در قلب فیزیک کوانتوم قرار دارد و حتی فوتون به عنوان ذره حامل برای نیروی الکترومغناطیس در نظریه فیزیک بنیادین دو وظیفه را انجام می دهد.

با این حال، فوتون ها از دیدگاه الکترومغناطیس به عنوان بسته های کوچک تابش در نظر گرفته می شوند که با سرعت نور، C، حرکت می کنند و همراه خود مقداری انرژی دارند که توسط طول موج با بسامد آن ها تعیین می شود. انرژی کل فوتون با رابطه ساده E = hv داده می شود که در آن v بسامد موج و ثابت پلانک و برابر 34- 10× 6.63 ژول ثانیه است.

ليزر

لیزر (مخفف تقویت نور با گسیل القایی تابش Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) باریکه ای از نور تولید می کند که در آن تمام موج های جداگانه تک رنگ (دارای یک طول موج واحد) همدوس (هم راستا با یکدیگر) هستند. این شرایط سبب می شود که لیزر یک منبع نور قدرتمند و شدید باشد که می تواند مقادیر زیادی از انرژی را به یک نقطه متمرکز برساند. امواج نور همدوس توسط گسیل برانگیخته به دست می آیند؛ فرایندی که در آن «محیط لیزری» (lasing medium) با انرژی ای پمپ می شود (اغلب با استفاده از نور شدید یا میدان الکتریکی) که معمولاً از فلوئورسانس خود به خود و بی نظم می گریزد. باوجوداین، پیش از اینکه چنین چیزی بتواند روی دهد، ورود یک فوتون دیگر فرآیند گسیل را به راه می اندازد و سبب می شود محیط لیزری فوتونی دیگر گسیل کند؛ فوتونی که از هر نظر شبیه فوتون ورودی است. فرآیند تکرار می شود و همچنان که نور به عقب و جلو می جهد آبشارگونه فرو می ریزد تا زمانی که یک رشته باریک (tight beam) منتشر شود لیزر از جراحی و صنعت تولید گرفته تا اندازه گیری های دقیق کاربرد دارد.

هولوگرافی

هولوگرافی (holography) تکنیکی مبتکرانه است که با استفاده از لیزر و قوانین تداخل و پراش اطلاعات را ذخیره می کند. بیشترین شهرت آن احتمالاً برای ساخت تصاویر سه بعدی موهوم است، اما کاربردهای مهمی از حوزه امنیتی گرفته (به دلیل اینکه جعل هولوگرام دشوار است) تا ذخیره اطلاعات (به دلیل اینکه هولوگراف می تواند برای ذخیره و بازیابی اطلاعات در سرعت بالا استفاده شود) دارد.

تصویر هولوگرافیک حاصل ثبت «میدان نوری» (light field) است که اطراف یک جسم تولید شده است. برخلاف عکس که خود تصویر را ثبت می کند هلوگرام طرحی از تغییر چگالی یا شدت را ثبت می کند که می تواند در یکی از چند فرآیند بازسازی میدان نور اصلی استفاده شود. به دلیل اینکه «میدان» نور پراکنده شده توسط جسم اصلی در جهات مختلف را ثبت می کند، می تواند در جهات مختلفی مشاهده شود. این تکنیک فقط با چشمه های نور تک رنگ مانند لیزرها کار می کند و تداخل ناشی از ترکیب طول موج ها تصویر را مغشوش می سازد.

تابش جسم سیاه

در فیزیک «جسم سیاه» جسمی ایده آل است با جذب نور کامل، کدر و سطحی بدون بازتاب که و گسیل تابش آن به غیر از دمای سطح آن به هیچ چیز دیگری بستگی ندارد. چنین جسمی ممکن است شبیه یک جسم انتزاعی نظری به نظر برسد، اما در حقیقت یک مدل خوب برای پدیده های مختلفی از ستاره ها گرفته تا فيلامان لامپ رشته ای به حساب می آید.

درنتیجه، تابش جسم سیاه در اواسط دهه ۱۸۰۰ مورد بررسی دقیق قرار گرفت. دانشمندانی همچون بلفور استوارت (Balfour Stewart) اسکاتلندی و گوستاو کیرشف (Gustav Kirchhof) آلمانی نشان دادند که چگونه اجسام سیاه تابش را از میان محدوده ای از طول موج ها و انرژی ها در یک «منحنی جسم سیاه» مشخص (شکل بعدی) که وضعیت دقیق و شکل آن براساس قانون استفان بولتزمن (Stefan Boltzmann) تنها به دمای سطح آن بستگی دارد، گسیل می کنند. با اندازه گیری انرژی ناشی از یک جسم سیاه در طول موج های خاص، می توان دمای سطح آن را به دست آورد. به هر روی، دلیل توزيع منحنی جسم سیاه و مخصوصا رفتار آن در طول موج های فرابنفش در اوایل قرن بیستم روشن شد.

تابش چرنكف

سرعت نور در خلأ، c، آخرین حد سرعت کیهانی است، اما سرعت ظاهری نور در واسطه های شفاف دیگر کمتر است. درنتیجه، گاهی اوقات در برخی محيط ها ذرات می توانند سریعتر از نور حرکت کنند. هنگامی که این اتفاق بیفتد، این ذرات تابش چرنكف تولید می کنند که شبیه انفجار صوتی ناشی از هواپیماهای فراصوتی است.

این پدیده به یک ذره باردار و یک ماده واسطه «دی الکتریک» (ماده ای عایق که ساختار آن می تواند توسط میدان الکتریکی بازآرایی با قطبیده شود) نیازمند است. عبور ذره، میدان الکترومغناطیسی را در دی الکتریک قطع می کند که این امر سبب می شود مولکول های آن قبل از برگشتن به حالت عادی شان کمی قطبیده شوند و در این فرایند نور گسیل می کنند. هنگامی که ذره در سرعت های عادی حرکت می کند تداخل ویرانگر بین تابش گسیل شده سبب می شود که این نور قابل مشاهده نباشد، اما زمانی که ذره با سرعت بالا حرکت می کند، نور در طول یک «جبهه تلاطم»(shock front) گسیل می شود که سبب تداخل سازنده شده و نور روشن تر و قابل مشاهده می شود. این نور معمولاً به صورت تابشی آبی ظاهر می شود.

ماده

واژه ماده معمولاً برای توصیف ذاتی که اجسام فیزیکی معمول از آن ساخته شده اند، استفاده می شود. ماده از ذرات ساخته شده است و جرم و حجم دارد، اما در تعریفی پایه ای تر ماده همان ظهور انرژی است. ماده طبیعتاً از نور و سایر صورت های تابش الکترومغناطیس انرژی بیشتری را مقید می کند و بنابراین در جهان مرئی بیشترین مقدار انرژی را دارا است. با وجود این، ظواهر می توانند فریبنده باشند: ماده معمولی که در زندگی روزمره با آن سروکار داریم، عملا در سایه توسط ماده تاریک نامرئی و مرموز قرار دارد که حضور آن فقط توسط گرانش احساس می شود، درحالی که اکنون انرژی درون ماده را مفهومی همان قدر رازآمیز یعنی «انرژی تاریک» به حاشیه رانده است.

در تجربیات روزمره، ماده به سادگی همان جنس جهان محسوس است. ماده می تواند سه فاز یا حالت کلاسیک را نمایش دهد: جامد، مایع و گاز و بسیاری از مواد می توانند زمانی که دمایشان تغیر می کند بین این سه حالت تبدیل شوند یا انرژی را به سیستم اضافه یا کم کنند. جامدات، مایعات و گازها می توانند محدوده وسیعی از خواص و رفتارهای ماده را نمایش دهند که در مرحله پایه ای تر به ترکیبات آن ها بستگی دارد؛ تمام مواد بزرگ مقیاس از ذراتی به نام اتم ساخته شده اند که معمولاً حدود 1/0 نانومتر هستند و به سختی یک هزارم طول موج نور مرئی می شوند. دمکریتوس (Democritus)، فیلسوف یونانی، اولین کسی بود که حدود سال ۴۰۰ پیش از میلاد «نظریه اتمی» را مطرح کرد (و درواقع کلمه اتم از واژه یونانی غیرقابل شکافت آمده است) اما در قرن هجدهم بود که شواهد کافی برای اثبات وجود این ذرات بسیار کوچک به دست آمد. امروزه می دانیم که اتم ها می توانند به عنصرهای مختلفی تقسیم شوند. هرکدام از تقسیمات دارای ویژگی های خاص خود هستند اما بیشترشان می توانند در گروه های بزرگ مانند فلزها یا گازهای نجیب تقسیم بندی شوند. روش های پیچیده برهم کنش عنصرهای مختلف با یکدیگر اساس علم شیمی است، بنابراین در اینجا ما فقط می توانیم به طور سطحی این پیچیدگی ها را مطرح کنیم.

پیشرفت علم در قرن بیستم نشان داد که اتم ها فراتر از آن توده های مشاهده ناپذیری هستند که دموکریتوس تصور می کرد. آن ها از ذرات زیراتمی مختلفی تشکیل شده اند: پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها که روابط پیچیده آن ها ویژگی هایی که اتم ها بروز می دهند را توصیف می کند.

حالت های ماده

ماده معمولاً در یکی از حالت های جامد، مایع یا گاز یافت می شود. حالت چهارمی هم به نام پلاسما از اتم هایی تشکیل شده که الکترون های خارجی شان را از دست داده اند. جامدات شكل و حجم ثابتی را بدون توجه به ظرفی که در آن قرار دارند، حفظ می کنند. مایعات حجمشان را حفظ می کنند اما شکل ظرفی را که در آن هستند به خود می گیرند، درحالی که گازها شكل ثابتی ندارند و منبسط یا فشرده می شوند تا فضای موجود را پرکنند.

امروزه می دانیم که تمام سه حالت ماده شاهدی بر رفتار سطوح اتمی یا مولکولی هستند. در مواد جامد، اتم ها و مولکول ها در بسته های فشرده به هم هستند و توسط پیوندهای قوی درون اتمی و درون مولکولی ضعیف تر محکم به هم بسته شده اند، که اغلب به تشکیل یک ساختار بلوری یا هندسی در مقیاس بزرگ منجر می شود. هنگامی که ماده گرم شود، اتم های جداگانه می توانند درون ساختار جنبش داشته باشند اما نمی توانند در طول آن حرکت کنند. در مایع، اتم ها یا مولکول ها هنوز تقریباً محکم به هم متصل هستند، اما پیوندهای بین آن ها ضعیف تر است و می تواند شکسته شده یا مجدداً به سادگی تشکیل شود، به طوری که ذرات تشکیل دهنده آن می توانند از کنار هم عبور کنند و بر مبنای توزیع شان خود را دوباره مرتب کنند.

درنهایت در گازها پیوندهای بین اتم ها یا مولکول ها شکسته می شود. نیروهای بین آن ها تقریباً ناچیز است و به ذرات درون ماده اجازه می دهد براساس قوانین گازها رفتار کند.

حرکت براونی

بیشتر شواهد اولیه برای نظریه اتمی از ملاحظه دقیق قوانین گازها و تفسیر آزمایش ها ناشی می شود؛ آزمایش هایی که چگونگی برهم کنش مواد با یکدیگر و نسبت تولید محصولات را نشان می دهند. با این حال، در آغاز سال ۱۸۲۷ رابرت براون (Robert Brown) گیاه شناس به اثر عجیبی توجه کرد؛ وی حرکت تصادفی ظاهری گرده های غلات در آب را با میکروسکوپش مشاهده کرد.

آزمایش براون ثابت کرد که این پدیده به حیات مربوط نبود، اما علت «حرکت براونی» تا سال ۱۹۰۵ سربه مهر باقی ماند تا وقتی که آلبرت اینشتین دریافت که این پدیده می تواند برحسب اتم های نامرئی که از برخورد با ذرات بزرگتر مرئی برمی گردند، توصیف شود. مقاله اینشتین در این موضوع نشان داد که حرکت براونی می تواند برای محاسبه اندازه اتم ها یا مولکول ها در مایعات و گازها استفاده شود. با بسط این موضوع روشی برای محاسبه تعداد اتم ها در حجم ثابتی از گاز نیز به دست آمد و بنابراین روشی برای اندازه گیری جرم کوچک اتم های جداگانه نیز حاصل شد.

عنصرها

عنصر شیمیایی می تواند به صورت ماده ای که از یک نوع اتم ساخته شده است تعریف شود که دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مخصوص به خود است. تابه حال، ۱۱۸ تا از این واحدهای بنیادین ماده شناخته شده است. و ۲۰ تای آن ها نتیجه آزمایش های مصنوعی به جای اکتشاف طبیعی هستند. هر عنصر عدد اتمی منحصربه فرد خود را دارد که نمایانگر ساختار داخلی اتم های آن است. همچنین عنصرها دارای «جرم اتمی» نیز هستند که عموماً با زیاد شدن عدد اتمی افزایش می یابد.

در سال ۱۸۶۹، دانشمند روسی دیمیتری مندلیف (Dimitri Mendeleev) فهرستی از عنصرهای شناخته شده و خواص آن ها منتشر کرد و بعضی از الگوهای مهم توزیع آن ها را کشف کرد که درنهایت به جدول تناوبی ختم شد. در جدول تناوبی عنصرها به گونه ای مرتب شده اند که علاوه بر نمایش افزایش عدد اتمی، شباهت های واکنش های شیمیایی خود را نیز نشان می دهند. اکنون معلوم شده است که جدول تناوبی ساختار اتمی داخلی عنصرهای مختلف را نیز نشان می دهد.

پروتون

پروتون یکی از ذرات نسبتاً سنگین است که هسته اغلب اتم ها را تشکیل می دهد. پروتون دارای بار مثبت مساوی و مخالف بار منفی الكترون است و از ذرات کوچکتری به نام کوارک (quark) ساخته شده است. دو «کوارک بالا» و یک «کوارک پایین».

تعداد پروتون ها در هسته اتم (برابر با عدد اتمی آن) مشخص کننده عنصری است که اتم متعلق به آن است. با اینکه پروتون ها در واکنش های شیمیایی نقشی ندارند، عدد اتمی تعداد و توزیع الکترون ها در پوسته های بیرونی یک اتم خنثی را تعیین می کند و این به نوبه خود واکنش پذیری آن اتم را شکل می دهد. ساده ترین عنصر، هیدروژن، از یک پروتون ساخته شده که یک الکترون دور آن می چرخد. یون هیدروژن (H+) از یک پروتون تنها، بدون هیچ الكتروني، تشکیل شده است.

جرم پروتون ۱۸۳۶ برابر جرم الكترون است که تقریباً برابر 27-10× 67/1 کیلوگرم یا ا واحد جرم اتمی (amu) است. قطر پروتون ۱۷ فمتومتر است. هر فمتومتر یک میلیونم یک میلیاردم متر است.

نوترون

نوترون ذره خنثایی است و همین باعث شده که آخرین ذره کشف شده از سه ذره اصلی زیر اتمی باشد. نوترون در سال ۱۹۳۲ توسط فیزیکدان انگلیسی، جیمز چادویک، (James Chadwick) کشف شد. جرم نوترون برابر جرم پروتون است و معمولاً در مرکز هسته اتم محدود می شود. نوترون برخلاف پروتون از دو «کوارک پایین» و یک «کوارک بالا» تشکیل شده است.

نوترون ها در جرم هسته اتم سهم دارند و معمولاً به همان تعداد پروتون در هسته یافت می شوند. با وجود این ممکن است تعداد نوترون های درون اتم یک عنصر کمی تغییر کند ولی در خواص شیمیایی آن اثر چشم گیری ندارد. اتم هایی که تعداد پروتون هایشان برابر است ولی تعداد نوترون ها (و جرم کلی متفاوت) دارند، ایزوتوپ های مختلف یک بوع عنصر هستند. هنگامی که تعداد نوترون ها در یک هسته بسیار بیشتر از تعداد پروتون ها باشد، هسته ناپایدار شده و تابش پرتوزا منتشر می کند تا به صورت بندی پایدارتری برسد.

پادماده

مفهوم پادماده، به رغم برداشت های علمی - تخیلی، حقیقتاً ساده است. ذرات پادماده همان ذرات ماده هستند، با جرم یکسان اما بار مخالف؛ بنابراین پاد پروتون ذره ای با جرم برابر پروتون و بار منفی است، به همین نحو پاد الکترون، یا پوزیترون، ذرهای الکترون گونه با بار مثبت است. امکان وجود پادماده را نظریه پرداز انگلیسی پائول دیراک (Paul Dirac) در سال ۱۹۲۸ نشان داد و پوزیترون را فیزیکدان آمریکایی کارل اندرسون (Carl Anderson) در سال ۱۹۳۲، با بررسی پرتوهای کیهانی (cosmic rays) که وارد جو زمین می شوند، کشف کرد. پوزیترون ها متداول ترین نوع پادماده هستند که در نتیجه واپاشی پرتوزا و اتفاقات نجومی بسیار شدید تولید می شوند. اغلب پوزیترون ها در اثر برخورد با الکترون های معمولی در یک انفجار انرژی نابود شده و تابش گاما منتشر می شود. با این همه، این پرسش که چرا در دنیا میزان ماده بر میزان پادماده غلبه کرده است، چالش بزرگی را برای فیزیکدانان جدید باقی گذاشته است.

ایزوتوپ

ایزوتوپ های یک عنصر اتم هایی هستند که عدد اتمی یکسان دارند ولی به دلیل تعداد متفاوت نوترون های خنثی در هسته اتمی شان، جرم هایشان کمی متفاوت است. به طور طبیعی بسیاری از عنصرها به صورت ترکیبی از ایزوتوپ های مختلف وجود دارند، با این حال اغلب یکی از ایزوتوپ ها از بقیه رایج تر است. در موارد نادری مقادیر طبیعی ایزوتوپ های مختلف درنهایت برابر شده و به یک جرم اتمی میانگین می انجامد، ممکن است این جرم اتمی میانگین یک عدد صحیح نباشد (مثلاً جرم اتمی کلر ۵ /35 است).

وجود ایزوتوپ ها از اهمیت خاصی برخوردار است چراکه هسته های دارای تعداد بیشتر نوترون ناپایدار شده و با تابش پرتوزا در طول زمان های کوتاه یا بلند تجزیه می شوند تا به پایداری برسند.

ایزوتوپ های مختلف محدوده وسیعی از «نیمه عمرها» ( half – life) دارند او بسیاری از ایزوتوپ هایی که عمر کمتری دارند پیوسته در جو و سطح زمین بازتولید می شوند، این بازتولید توسط واکنش های بین اتم ها و ذراتی پرانرژی به نام «پرتو کیهانی» که از خورشید و اعماق فضا آمده اند، صورت می گیرد.

طیف سنجی جرمی

طیف سنج جرمی (mass spectrometry) ماشین مبتکرانه ای است که فرصت تحلیل ترکیبات ایزوتوپی مواد را به دانشمندان می دهد. این ماشین ابتدا ماده را به یون های باردار الکتریکی آن تجزیه کرده و سپس یون ها را به درون وسیله ای شلیک می کند که مسیرشان را برحسب نسبت جرم / بار آن ها منحرف می کند. پس از آن یون های منحرف شده به صفحه آشکارساز برخورد کرده و طیفی، مشابه طیف نور شکسته شده در منشور، تولید می کنند. نمونه های مورد آزمایش می توانند به روش های مختلفی به یون ها تجزیه شوند، اما یکی از متداول ترین روش ها یونیزاسیون الکترون است؛ نمونه با الکترون های پرانرژی ناشی از رشته الکتریکی داغ بمباران می شود.

به همین ترتیب یون ها می توانند به روش های مختلفی جدا شوند. با استفاده از میدان های الکتریکی یا مغناطیسی، یا با اندازه گیری سرعتی که هر ذره با آن به آشکارساز برخورد می کند (ذراتی که با یک شتاب دهنده شتاب گرفته باشند).

در تمام موارد، قاعده یکسان است: شدت ذرات در بخش های مختلف طیف سنج مقادیر ایزوتوپ های ماده اولیه را نشان می دهد.

یونیزاسیون

اتم، در تعریف، ازنظر الکتریکی خنثی در نظر گرفته می شود. ذره اتم گونه ای که بار الکتریکی دارد یون نامیده می شود و فرآیند تبدیل یک اتم به یک یون یونیزاسیون (ionization) نامیده می شود. یون ها ممکن است دارای بار مثبت یا منفی باشند و بار کل آن ها درنهایت به تعادل پروتون های مثبت در هسته و الکترون های موجود در پوسته های اوربیتال خارجی آن ها بستگی دارد.

به دلیل اینکه هسته پیوندهای بسیار محکمی دارد، پروتون های آن به ندرت پراکنده می شوند؛ بنابراین یون ها از تغییر در تعداد الکترون ها که اثرپذیری راحت تری دارند، ساخته می شوند.

فرآیندی که در آن الکترون ها جدا می شوند بار منفی را از بین می برد و یک یون با بار کلی مثبت باقی می گذارد که کاتیون نامیده می شود. فرایندی که در آن به الکترون های یک اتم افزوده می شود یون باردار منفی تولید کرده که آنیون نام دارد. با اینکه یون ها اغلب کمتر به طور مستقل وجود دارند اما هردوی این فرایند تولید کاتیون و آنیون در طول واکنش شیمیایی، روی می دهند. فرایند یونیزاسیون می تواند توسط میدان های الکترومغناطیسی یا بمباران با تابش های پرانرژی یا ذرات نیز اتفاق بیفتد.

طیف گسیل و جذب

طیف گسیل، نشان دهنده توزیع انرژی آزادشده از برانگیخته شدن یک ماده خاص است که انرژی به آن تزریق شده تا مرحله ای که به گسیل نور برسد؛ مثلاً با سوختن در یک شعله یا بمباران با ذرات پرانرژی. هنگامی که این نور با یک طیف سنج شکسته می شود، بیشتر مواد در مجموعه ای از خطوط گسیل با طول موج ها، انرژی و رنگ های معین، تابش می کنند. برعکس، هنگامی که نور لامپ های رشته ای )محدوده پیوسته ای از رنگ ها (از یک نمونه سردتر و تبخیر شده از همان ماده عبور می کند، نور همان طول موج خاص جذب می شود و یک سری از خطوط جذبی تاریک باقی می گذارد. حدود سال ۱۸۵۹ شیمی دان آلمانی رابرت بونسن (Robert Bunsen) و گوستاو کیرشف Gustav Kirchhof) فهمیدند که هر عنصر یا ماده مرکب یک طرح خطوط گسیل یا جذب مخصوص به خود دارد؛ طرحی به مثابه اثرانگشتی شیمیایی که آن ماده را متمایز می کند. مدل اتمی بور در سال ۱۹۱۳ معرفی شد که در آن اوربیتال های الکترون که متناظر با سطوح انرژی مختلف هستند رفتار خاص هر عنصر را توضیح می دهند.

مدل اتمی بور

در اوایل قرن بیستم شواهد مهمی از ساختار اتمی مطرح شد و با مدل اتمی بور در سال ۱۹۱۳ به اوج خود رسید. این مدل توسط دانشمند دانمارکی نیلز بور (Niels Bohr) عنوان شد. پیروزی مهم بور این بود که منشأ خطوط طیفی را توصیف کرد. این خطوط طیفی زمانی که یک اتم تابش با طول موج ها و انرژی های بسیار خاص را جذب یا گسیل می کنند تولید می شوند. مدل بور محدوده های پوسته گونه ای را توصیف می کند که الکترون ها در آن به دور هسته اتم دوران می کنند. امروزه این محدوده ها اوربیتال یا سطح انرژی نامیده می شوند و هرکدام می توانند تعداد ثابتی از الکترون ها را در خود جای دهند. هر جایگاه خاص الكترون مقدار انرژی خاصی به الکترون می دهد. الکترون ها پوسته ها را از داخل به خارج پر می کنند. اگر خارجی ترین پوسته کامل نباشد، آنگاه ممکن است الكترون از لایه پایینی آن انرژی جذب کند و به پوسته خارجی جهش کند و یک خط جذبی (absorption line) تولید کند. اما این صورت بندی ناپایدار است. بنابراین الکترون به سرعت به حالت انرژی پایین تر خود بازمی گردد. انرژی ای با همان طول موج آزاد می کند و یک خط گسیل (emission line) ایجاد می کند.

فلوئورسانس

مواد خاصی می توانند بدون گرم شدن نور گسیل کنند، در عوض اتم های آن ها توسط نور یا سایر تابش ها پرانرژی یا برانگیخته می شود، سپس با انتشار نور به پایین ترین سطح انرژی شان برمی گردند (در تطابق با مدل بور).

این پدیده که به فلوئورسانس، معروف است زمانی بسیار مؤثر است که برانگیختگی توسط نور نامرئی (معمولاً فرابنفش) صورت گیرد و تنها تابش های گسیل شده مرئی باشند. این همان سازوکاری است که ابرهای گازی بین ستاره ای زیبا را روشن می کند و به سحابی معروف است، اما این پدیده در پس بسیاری از پدیده های زمینی مانند لامپ های فلوئورسانس نیز رخ می دهد. در این لامپ ها، بخار جیوه ای که به صورت الکتریکی برانگیخته شده است، مجبور به گسیل تابش فرابنفش می شود که این به نوبه خود ماده فلوئورسنت را که به فسفر معروف است، برانگیخته می کند. برخلاف طیف گسترده تابش جسم سیاه که توسط چشمه های لامپ رشته ای گسیل می شود، فلوئورسانس ها معمولاً تنها محدوده ای از طول موج ها را، بسته به انرژی گذارهای الکترون درگیر، گسیل می کنند.

ساعت اتمی

هنگامی که الکترون های مدار دور هسته اتمی با اعمال انرژی برانگیخته می شوند، معمولاً خیلی سریع به حالت اولیه و کم انرژی تر بازگردند و سرعت بازگشت از یک انتقال خاص، در صورت کنترل دقیق همه شرایط، همیشه یکسان است.

این ها پایه های نظریه ساعت های اتمی است، ابزارهایی که امروزه دقیق ترین اندازه گیری زمان را در جهان انجام می دهند. ساعت های اتمی حتی از گردش خود زمین نیز زمان را دقیق تر تعریف می کنند؛ آن قدر دقیق که در سال ۱۹۶۷ ثانیه رسما به اندازه طول مدت ۹۱۹۲۶۳۱۷۷۰ دور تابش از یک انتقال الکترون خاص در اتم های سزیم ۱۳۳ (caesium) تعیین شد.

در عمل، سیگنال زمان ساعت اتمی توسط یک مدار نوسانگر الکتریکی که در بسامد بالا کار می کند تولید می شود. نوسانگر الکتریکی توسط تشدید مغناطیسی با اتم های گاز درون یک کاواک مایکرویو هدایت می شود؛ چنبره ای که در آن میدان های الکترومغناطیسی محبوس شده و با تشدید تقویت می شوند.

اتم ها به صورت بخار به داخل کاواک تزریق می شوند و یک لیزر با بسامد و طول موج تنظیم شده بسیار دقیق به سمت آن ها شلیک می شود. هر فوتون در باریکه لیزر مقدار خاصی از انرژی را که برای انتقال الکترون مورد نظر در سطوح انرژی اتم لازم است حمل می کند و به محض اینکه یک اتم به حالت انرژی پایین تر خود بازگردد توسط یک فوتون دیگر لیزر برانگیخته می شود. یک میدان الکترومغناطیسی تشدید به سرعت در تشدید کننده تولید شده و مدار زمانی الکترونیکی را هدایت می کند. انتقال هایی که در ساعت های اتمی استفاده می شوند می توانند انرژی را در طول موج های مایکروویو، مرئی یا فرابنفش آزاد کنند و معمولاً از اتم های هیدروژن، سزیم یا روبیدیم استفاده می کنند. با اینکه اصول کاری این ماشین ها به خوبی مقرر شده است، اما هنوز در طراحی و دقت آن ها پیشرفت های جدیدی صورت می گیرد. مثلاً امروزه دقیق ترین ساعت های اتمی اتم هایشان را تا نزدیکی دمای صفر مطلق سرد می کنند تا تغییرات نامطلوب را در انتقال بسامد مهار کنند.

جدول تناوبی

جدول تناوبی (periodic table) در ابتدا وسیله ساده ای برای مرتب کردن عنصرها بر اساس فعالیت شیمیایی آن ها بود، اما امروزه به عنوان وسیله ای برای توصیف ویژگی های داخلی اتم های عنصرهای خاص نیز شناخته شده است. این جدول از ۱۸ ستون عمودی با طول های مختلف تشکیل شده، جرم اتمی عنصرها از چپ به راست و بالا به پایین زیاد می شود. عنصرها در این ستون ها برهم کنش های شیمیایی مشابه دارند. به دلیل اینکه واکنش پذیری شیمیایی به تعداد الکترون های خارجی ترین پوسته های اوربیتال بستگی دارد، تعجبی نیست که دریابیم آرایش ستون ها، آرایش این پوسته ها را منعکس می کند. مثلاً عنصرهای فعال شیمیایی با یک الکترون در خارجی ترین پوسته شان (شامل هیدروژن، لیتیم، سدیم و پتاسیم) در چپ ترین ستون جدول قرار دارند، درحالی که گازهای نجیب غیرواکنشی که خارجی ترین پوسته شان کامل پر شده است (شامل هلیم، نئون و آرگون)، در راستترین ستون جدول هستند.

پیوندهای يونی

یکی از سه نوع پیوند شیمیایی معمول است، یک پیوند یونی، همان طور که از اسمش پیداست، تشکیل یون های باردار الکتریکی را در بردارد. این پیوندها معمولاً به حضور اتم های یک فلز (عنصری که «انرژی یونیزاسیون» نسبتاً کم آن به الکترون ها اجازه می دهد که به راحتی از خارجی ترین پوسته اوربیتال آن کنده شوند) و یک ماده غیر فلزی نیاز دارد که در اوربیتال خارجی شان جای خالی برای پذیرش الكترون داشته باشند. در طول پیوند یونی، تزریق انرژی، خارجی ترین الکترون ها را از اتم فلز می کند و یک یون مثبت به نام کاتیون تشکیل می شود. سپس الکترون ها توسط خارجی ترین پوسته یک یا چند اتم غیرفلزی جذب می شوند تا خارجی ترین پوسته های آن ها کامل یا پایدارتر شوند. در این حالت یک یون باردار منفی به نام آنیون ساخته می شود. نیروهای الکترواستاتیک آنیون ها و کاتیون ها را به سمت هم جذب می کند و پیوند یونی در حجم بزرگی از ماده جامد تولید می شود که اغلب ساختاری بلوری یا شبکه گونه را نمایش می دهد. کل فرآیند تشکیل پیوند باید گرماده باشد (به جای اینکه انرژی جذب کند، آزاد می کند).

پیوند کووالانسی

در کنار پیوندهای یونی، پیوندهای کووالانسی اصلی ترین روشی هستند که در آن اتم ها به یکدیگر متصل می شوند. این پیوندها در شرایطی شکل می گیرند که دو یا چند اتم برای رسیدن به شرایط پایدار نیازمند دستیابی به الکترون باشند و زوج های الکترون بین اتم ها به اشتراک گذاشته شوند؛ هر اتم یک الكترون اهدا می کند و یک الکترون از شریک پیوندی خود به دست می آورد.

نمونه ساده ای از مولکول دارای پیوند کووالانسی، متان (CH4) است که در آن اتم کربن با چهار الكترون در خارجی ترین پوسته خود به چهار اتم هیدروژن جدا وصل می شود که هرکدامشان یک الکترون دارند. با به اشتراک گذاشتن الکترون ها در پیوند کووالانسی، اتم کربن به چیدمان پایدار هشت الکترون در پوسته خارجش می رسد و اتم های هیدروژن نیز به آرایش پایدار دو الکترون در خارجی ترین پوسته می رسند. توصیف دقیق پیوندهای کووالانسی، اینکه چرا در قدرت و جهت تفاوت دارند، فقط با مکانیک کوانتومی صورت می گیرد.

پیوند فلزی

هنگامی که اتم های فلز در مقیاس حجمی به هم متصل می شوند، نوع خاصی از پیوند ساختارهای آن ها را متصل به هم نگه می دارد. پیوند فلزی به شکل نوعی از پیوند یونی دیده می شود که در آن تمام یون ها مثبت هستند اما با دریایی از الکترون های آزاد متصل به هم باقی می مانند. اتم های فلزی الکترون ها را از آخرین پوسته مداریشان آزاد می کنند تا پایدارتر شوند و در همین حال یک ساختار شبکه ای یا بلوری می سازند. الکترون های آزاد بین آن ها شناور می مانند و کل بار الکتریکی خنثی باقی می ماند. این پیوند خاص مسئول بسیاری از خواص متمایز فلزها است. الکترون های سیار به آسانی در شبکه جاری می شوند و فلزها را تبدیل به رساناهای الکتریکی خوبی می کنند. این تحرک یکسان با لرزش اتم ها در شبکه بلور ترکیب شده و سبب می شود گرما هم به خوبی هدایت شود. ضمناً اینکه اتم های فلزها تحت فشار می توانند خود را بازآرایی کنند چکش خواری (malleability) و شکل پذیری (ductility) آن ها را سبب می شود، در حالی که برهم کنش بین پرتوهای نور و الکترون های آزاد سبب شده تا سطح فلزها بازتابنده و درخشان باشد.

واکنش های شیمیایی

واکنش شیمیایی فرآیندی است که در آن یک مجموعه از اتم ها و مولکول های که واکنش دهنده نامیده می شوند، به مجموعه دیگری به نام محصولات تبدیل می شوند. واکنش های شیمیایی معمولاً شامل شکست یا بازسازی پیوندهای اتمی و توزیع مجدد الكترون ها بین واکنش دهنده ها می شوند اما هسته اتم ضرورتاً بدون تغییر باقی می ماند.

به عنوان یک قاعده، شکست پیوندهای شیمیایی انرژی می گیرد، درحالی که تولید پیوندهای جدید انرژی آزاد می کند. درنتیجه بسیاری از واکنش های شیمیایی در آغاز به انرژی اضافی نیاز دارند تا واکنش دهنده ها تجزیه شوند، اما همان طور که فرایند پیش می رود از خودشان انرژی تولید می کنند (به عنوان مثال مواد شیمیایی پیوندهای جدید یونی یا کووالانسی تشکیل می دهند). اگر یک واکنش خاص در کل انرژی گیر باشد به عنوان گرماگیر توصیف می شود. واکنش هایی که به خودی خود آغاز می شوند، یعنی آن ها که کافی است واکنش گرهایشان در مجاورت هم قرار گیرند تا انجام شوند، «خود به خودی» یا «انرژی ده» (exergonic) نامیده می شوند (مثلاً تشکیل هیدروکسید سدیم هنگامی که سدیم به آب اضافه می شود).

واکنش های شیمیایی اغلب با استفاده از معادلاتی چون

Na+2H2o----2 NaOH+H22

توصیف می شوند.

دو طرف معادله به صورت قراردادی موازنه هستند به طوری که تعداد یکسانی از اتم ها در هر طرف قرار دارد و محصولات نهایی به درستی نشان داده شده اند، بنابراین در این مثال تعداد مولکول ها در طرف چپ معادله دو برابر شده به طوری که معادله موازنه شده هیدروژن مولکولی (H2) را، که واقعا تولید شده است، به جای هیدروژن اتمی ناپایدار (H) به دست می دهد. پیکان دو سر در وسط معادله به این معناست که واکنش برگشت پذیر است، در صورت برقراری شرایط مناسب، واکنش در جهت عکس رخ داده و واکنش دهنده ها را دوباره از محصولات می سازد. در موارد بسیاری، برگشت پذیری فقط یک امکان فرضی است، ولی در بسیاری دیگر برگشت پذیری واقعیتی مهم است: واکنش می تواند بسته به نسبت غلظت واکنش دهنده ها و محصولات در هر دو جهت رخ دهد. این شرایط به تعادل بین واکنش دهنده ها و محصولات می انجامد، اما در فرضیه ها هر واکنشی که بتواند تا انتها انجام شود به تعادل می رسد، حتی اگر تعادل دربردارنده تمام واکنش دهنده هایی باشد که به محصولات تبدیل شده اند.

پیوندهای درون مولکولی

نیروهای گوناگونی مسئول نگه داری مولکول ها در کنار هم در جامدها و مایع ها هستند. با اینکه این پیوندها عموماً ضعیف تر از پیوندهای درون اتمی در مولکول ها هستند، اما عمدتاً در شکل گیری خواص مواد نقشی چشم گیر دارند. این پیوندهای درون مولکولی اغلب از نیروهای جاذبه (و دافعه) الکترواستاتیکی بین بخش های تمرکز بار الکتریکی در مولکول های مجاور شکل می گیرند. هنگامی که بار به طور یکنواخت در یک مولکول پخش می شود (اغلب از زوج های الکترونی در پیوند کووالانسی ناشی می شوند) مولکول «قطبی» (polar) نامیده می شود و هنگامی که تجمع بار منفی در یک طرف مولکول از بارهای مثبت در طرف دیگر بیشتر می شود «دوقطبی» (dipole) حاصل می شود. تولید دوقطبی ها روش های مختلفی را برای جاذبه بین مولکول ها ارائه می دهد. به بیان روشن تر، ممکن است این جاذبه بین یک دوقطبی و یک یون یا بین دوقطبی های با بار مخالف (که نیروی واندروالس (Van der Waals) نامیده می شود) رخ دهد. اثر دوقطبی روی مولکول های همسایه حتی می تواند مولکول های غیرقطبی را نیز قطبی کند.

نوع دیگری از پیوندهای درون مولکولی پیوند هیدروژنی است. این نوع پیوند هنگامی رخ می دهد که یک اتم غنی شده از الکترون هسته هیدروژن را که دارای بار مثبت است از مولکول های همسایه جذب کند. این پیوند در مولکول هایی مانند H2O مهم است و مسئول اصلی نقطه ذوب و جوش آب است که نسبت به مولکول های مشابه مانند آمونیاک NH2 بیشتر است.

محلول ها

علاوه بر حالت های ماده که پیش تر در مورد آن ها بحث شد، بسیاری از ترکیبات شیمیایی می توانند مخلوط هایی همگن (یکنواخت) به نام محلول بسازند. این فرایند معمولاً از مولکول های جامد، مایع یا گاز (حل شدنی) تشکیل شده که در مایعی به نام حلال جدا شده یا پراکنده می شوند. جاذبه بین مولکولی به سمت مولکول های ماده حلال بر قدرت پیوندهای اولیه درون ماده حل شدنی غلبه می کند.

هنگامی که ترکیبات یونی حل می شوند، ممکن است پیوندهای درون اتمی که آن ها را کنار هم نگه می دارد، بشکند و به اتم ها یا گروهی از اتم ها اجازه می دهد تا درون محلول یون بسازند. یک نمونه معمول نمک طعام است (کلرید سدیم) که برای تشکیل یون های سدیم باردار مثبت و یون های کلر باردار منفی می شکند. وجود این ذرات باردار شناور به چنین محلول هایی اجازه می دهد که الکتریسیته را هدایت کنند؛ پدیده ای که کاربردهایی نظیر جداسازی یا «الکترولیز» (electrolysis) و تولید انرژی ناشی از سلول های الکتروشیمیایی دارد.

بلور شناسی پرتوی

با وجود تمام پیشرفت های دهه های اخیر، هنوز موفق به تصویربرداری مستقیم از اتم ها و مولکول ها نشده ایم. باوجوداین، حداقل برای برخی از مواد، بلورشناسی پرتوX بهترین راه ممکن برای به دست آوردن طرحی همراه با جزئیات از ساختار مولکولی است.

در این روش یک باریکه اشعه X به ساختار بلور شلیک می شود و طرح پراش حاصل تحلیل می شود (شبیه آنچه در شکل بعدی نشان داده شده است). بلور شبیه توری پراش برای پرتو رفتار می کند. این روش توسط فیزیکدان آلمانی ماکس فون لاوہ (Max Von laue) در سال ۱۹۱۲ ابداع شد و توسط پدر و پسر انگلیسی ویلیام هنری (William Henry) و ویلیام لارنس برگ (William Lawrence Bragg) توسعه یافت. آن ها به دقت روی این موضوع کار کردند که چگونه ساختار درون بلور بر زاویه اشعه پراشیده اثر می گذارد. در قرن گذشته، تفسیر ساختار مولکولی روی محدوده وسیعی از مواد انجام می شد. شاید معروف ترین شان شکل مارپیچ دوگانه مولکول DNA باشد. این روش حتی توسط روبات های مریخ نورد روی مریخ نیز به کار گرفته شده است.

میکروسکوپ نیروی اتمی

دقیق ترین شیوه ساخت میکروسکوپ تا به امروز، تنها راه به تصویر در آوردن و دستکاری ماده در مقیاس اتم ها و مولکول های منفرد بوده است. ایده اصلی میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) فوق العاده ساده است. سوزنی فوق العاده تیز که بر پایه ای لغزان (cantilevered support) سوار است بر سراسر ماده نمونه کشیده می شود. این امکان را هم دارد که در واکنش به نیروهای دافعه و جاذبه آزادانه بالا و پایین رود. با آشکارسازی این حرکت های ریز (که معمولاً از طریق شکست های مسیر پرتو لیزر که از بالای سوزن منعکس می شود، صورت می گیرد)، رایانه می تواند ویژگی های مقیاس اتمی سطح را بازسازی کند.

مهم تر اینکه، AFM فقط وسیله مشاهده نیست با اعمال نیرو به سوزن، می تواند اتم ها و مولکول ها را هل دهد. تا به امروز، این فناوری آن قدرها فراتر از بازچینی اتم ها در سطحی تخت نرفته است، اما در آینده، شاید بتوان از آن برای ساختن مولکول ها و ماشین هایی در مقیاس نانو بهره برد.

الکتریسیته

بار الکتریکی یکی از ویژگی های بنیادین ماده است. این ویژگی به ماده امکان می دهد تا با میدان های الکترومغناطیسی برهم کنش داشته باشد. بار الکتریکی در پروتون های باردار مثبت هسته اتم یافت می شود، اما بیشتر آن ها را به شکل بار منفی در الکترون ها می بینیم؛ الکترون هایی که در هاله بیرونی اتم ها یا یون ها وجود دارند یا آزادانه در فضا حرکت می کنند.

پدیده های الکتریکی را می توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: آن ها که به الکتریسیته ساکن مربوط اند و آن ها که به جریان الکتریکی مربوط اند. الکتریسیته ساکن، همان گونه که از نامش برمی آید شامل شکل گیری بارهای الکتریکی غیر متحرک درون مواد و روی سطوح، تشکیل میدان های الکتریکی پیرامون یا میان این مرکزهای بار و تخلیه الکتریکی (مانند صاعقه) که سرانجام برای بازیابی تعادل روی می دهد. موادی را که انباشت بار منفی یا بار خالص مثبت دارند اغلب دارای قطبیدگی (polarity) منفی یا مثبت می خوانند. اجسامی که قطبیدگی شان مخالف هم باشد همدیگر را جذب می کنند و آن ها که قطبیدگی شان مشابه است همدیگر را دفع می کنند.

در مقابل، جریان الکتریکی، با جریان ثابت ذرات باردار منفی از میان موادی به نام رسانا سروکار دارد. از آنجا که می توان از جریان الکتریکی استفاده های گوناگونی کرد، این پدیده به مراتب از الکتریسیته ساکن پرکاربردتر است و در بطن نوین ترین فناوری های الکتریکی نهفته است. هرچند الکتریسیته تنها با جریان ذرات باردار منفی سروکار دارد، حرکت الکترون ها را می توان انتقال بار مثبت در جهت مخالف نیز پنداشت و البته، درنتیجه تصادفی تاریخی جهت قراردادی جریان در مدارهای الکتریکی درواقع به سویی است که حرکت بار مثبت به نظر می رسد؛ یعنی خلاف جهتی که الکترون ها در واقع حرکت می کنند. این مفهوم «جریان قراردادی» (conventional current) برای فهم درست بسیاری از پدیده های الکتریکی ضروری است.

بار الکتریکی را با واحدی به نام کولن (coulomb) می سنجند. یک کولن معادل بار پروتون یا الکترون است. درواقع کولن این گونه تعریف می شود: میزان باری که در جریانی یک امپری در هر ثانیه جابه جا می شود، اما همان طور که خواهیم دید این تعریف دچار دور است.

الکتریسیته ساکن

وقتی در ماده ای کمبود یا انباشت الکترون شکل گیرد و جریانی از آن خارج نشود، نتیجه الکتریسیته ساکن است. در بیشتر شرایط، برای تولید بار الکتریکی دو ماده نیاز است و دست کم باید یکی از آن ها عایق (insulator) باشد. وقتی دو ماده به هم متصل می شوند الکترون ها از یک ماده به ماده دیگر منتقل می شوند و وقتی از یکدیگر جدا می شوند عدم تعادل بار باقی می ماند. الیاف مصنوعی که در منسوجات نوین یافت می شود منبعی آشنا برای الکتریسیته ساکن است؛ این مواد مانند عایق عمل می کنند و به آسانی الکترون هایشان را به محیط می دهند. بدین ترتیب بار خالص مثبتی در آن ها انباشته می شود که آن ها را به سوی سطوحی که در مقایسه باردار منفی اند جذب می کند.

برای اینکه بار میان سطح هایی که قطبیدگی متضاد دارند به تساوی پخش شود، باید جرقه تخلیه ساکن (جریان الکترون ها) روی دهد. تخلیه الکتریکی یا نیاز به تماس مستقیم در سطح دارد، یا بازشدن راهی میان آن ها که رسانای الکتریسیته باشد مثلاً، با یونیزه شدن مولکول های هوا.

جریان الکتریکی

جریان الکتریکی جریان منظم ذرات باردار است از میان ماده ای رسانا و معمولاً با جریان الکترون های باردار منفی سروکار دارد، اما همچنین می تواند حرکت یون های باردار مثبت در ماده ای مذاب یا در محلول ها را دربرداشته باشد. عرف بر این است که جریان را حرکت بار مثبت (فرضی) در نظر گیرند. آن را بر حسب آمپر می سنجند. یک آمپر معادل جریان یک کولن بار در هر ثانیه از سطحی معین است و اغلب آن را با I نمایش می دهند.

ازآنجاکه جریانی که هر رسانا می تواند انتقال دهد مستقیماً به شمار حامل های بار در مقطعی مشخص از آن بستگی دارد، انتقال جریان های بزرگ سیم ها یا کابل های بزرگی می طلبد و مشکلاتی عملی دربردارد. جریان متناوب (alternating current)، که در آن جهت جریان به سرعت عقب و جلو می شود، می تواند بر این مسائل فائق آید، اما در بیشتر موارد به تصویر کشیدن رفتار «جریان مستقیم» ساده (direct current) آسان تر است.

اختلاف پتانسیل

اختلاف پتانسیل که معمولاً آن را با نام ولتاژ می شناسند نیروی پیشران در پس جریان الکتریکی است. درست مثل اجسام معمولی در میدان گرانشی که انرژی پتانسیل گرانشی دارند، ذره باردار هم بسته به مکانش در میدان الکتریکی انرژی پتانسیل الکتریکی معینی دارد. ولتاژ اختلاف انرژی پتانسیل دو نقطه است و طوری تعریف می شود که «جریان قراردادی» (جریان فرضی بار مثبت در رسانا) همیشه از ولتاژهای بالاتر به سوی ولتاژهای پایین تر روان شود.

اختلاف پتانسیل مسیری مشخص در رسانا چنین تعریف می شود: انرژی لازم برای حرکت بار از یک سر مسیر به سر دیگر. اختلاف پتانسیل بر حسب ولت (volt) سنجیده می شود. هر ولت معادل یک ژول (joule) انرژی بر یک کولن بار است. با حرکت دادن بار مثبت از ولتاژهای بالاتر به ولتاژهای پایین تر انرژی پتانسیل آن کاهش می یابد، اما مانند متناظر گرانشی آن، می توان بار را به سوی ولتاژهای بالاتر «هل داد»، با استفاده از نوعی منبع انرژی مانند باتری.

نیروی محرکه الکتریکی

نیروی محرکه الکتریکی که معمولاً آن را به اختصار با حروف اول کلماتش emf انشان می دهند، درواقع نیرو نیست، بلکه ولتاژ یا اختلاف پتانسیل است و بر حسب ولت سنجیده می شود. نیروی محرکه الکتریکی، همان گونه که از نامش بر می آید، حرکت جریان الکتریکی را در رسانا برمی انگیزد: نخستین بار دانشمند ایتالیایی الساندرو ولتا (Alessandro Volta) این اصطلاح را به کار برد. او کسی بود که در سال ۱۸۰۰ اولین باتری را اختراع کرد؛ پیل ولتایی . (voltaic pile)

ابزارهای متفاوت و پدیده های گوناگون بسیاری می توانند درون رسانا نیروی محرکه الکتریکی تولید کننده شامل انرژی شیمیایی باتری یا سلول، تأثیر تغییر یا حرکت میدان مغناطیسی (مانند آنچه در دینام روی می دهد)، ابزارهای ترموالکتریکی که گرما را به اختلاف پتانسیل بدل می کنند، سلول های سوختی و سلول های خورشیدی. درنتیجه، نیرومحرکه را می توان به چندین روش اندازه گرفت؛ همچون اختلاف پتانسیلی ساده میان پایانه های باز باتری یا مولد یا همچون کاری که انجام می شود تا باری را در حلقه ای بسته در میدانی مغناطیسی حرکت دهد.

مقاومت و قانون اهم

وقتی ذرات حامل بار مانند الکترون ها از میان رسانایی عبور می کنند، در مسیرشان ناگزیر با نوعی تقابل روبه رو می شوند. این تقابل ناشی از برهمکنش هایی است که با اتم های خود ماده صورت می گیرد؛ این پدیده را مقاومت (resistance) می خوانند و معمولاً سبب می شود انرژی به صورت گرما تحلیل رود. مقاومت (R) رسانا با قانون اهم (Ohm law) تعریف می شود: R=V/I که در آن V اختلاف پتانسیل در طول رسانا برحسب ولت است وI جریان برحسب آمپر. مقاومت بر حسب اهم (Ω) سنجیده می شود، حال آنکه رسانایی (conductance)( G ) که ویژگی معکوس آن است با زیمنس. (siemens)

مقاومت هر رسانا به مقاومت ویژه (resistivity) ماده ای که از آن ساخته شده و شکل آن بستگی دارد؛ به ویژه مساحتی که جریان می تواند از آن عبور کند. مقاومت ویژه در بیشتر مواد به طور طبیعی با دما افزایش می یابد. مقاومت ها (resistors) و عایق ها (insulators) ابزارهایی الکتریکی اند که به عمد مقاومت شان را بالا برده اند تا این امکان را به آن ها دهند که مانع جریان شوند و عنصرهای هادی را منزوی کنند.

سلول ها و باتری ها

سلول الکتروشیمیایی (electrochemical cell) ابزاری است که از واکنش های شیمیایی برای تولید انرژی الکتریکی بهره می برد؛ و باتری گروهی سلول به هم پیوسته است. ساده ترین سلول از دو الکترود (electrode) که با الکترولیت (electrolyte) از هم جدا شده اند، تشکیل شده است. (الکترولیت ماده ای است که در حلال حل می شود و یون های الکتریکی آزاد می کند).گاهی یک الکترود و الکترولیتش را «نیم سلول» می خوانند. در طراحی برخی از باتری دو نیم سلول الکترولیت های متفاوتی دارند و با «پلی» از مادهای رسانا به هم وصل می شوند. وقتی دو الکترود از طریق مداری بیرونی به هم وصل می شوند، بار آزادانه از طریق الکترولیت جاری می شود و واکنش شیمیایی آغاز می شود. یون های باردار منفی در یک نیم سلول به سوی الکترود خود می روند (که به آن اند (anode) می گویند) و در آنجا الکترون هایشان را از دست می دهند و خنثی می شوند. حال آنکه یون های باردار مثبت در دیگر نیم سلول به الکترود دیگر یعنی کاتد (cathode) پناه می برند و در آنجا الكترون می گیرند. هر نیم سلول نیروی محرکه خود را تولید می کند و ترکیب این دو ولتاژ کل سلول را تعیین می کند.

مدار

مدار (circut) نظامی است از مؤلفه هایی الکتریکی که با حلقه ای از سیمی رسانا به هم وصل شده اند. مدار با استفاده از مؤلفه هایی مانند مقاومت، ترانزیستور، خازن و دیود می تواند اعمال پیچیده ای را انجام دهد، مانند تولید، دریافت یا تقویت سیگنال های الکتریکی با بسامدهای خاص و همچنین محاسبه و اندازه گیری.

درون مدار، مؤلفه ها را می توان سری (series) یا موازی (parallel) بست. در مدار سری، جریان از طریق یک سیم واصل واحد از یک مؤلفه به مؤلفه ای دیگر می رود (و خرابی در یکی از مؤلفه ها كل مدار را قطع می کند). جریان در همه مؤلفه ها یکسان است و ولتاژ کل مدار برابر است با مجموع ولتاژهای مؤلفه های آن. در مدار موازی، جریان برای رسیدن به مؤلفه های مختلف از سیم های موازی و جداگانه ای رد می شود. ولتاژهای مؤلفه های موازی با هم برابرند و جریان برابر است با مجموع جریان هایی که از هر مؤلفه می گذرد.

مغناطیس

مغناطیس جنبه ای از نیروی الکترومغناطیسی است که ذاتا با الکتریسیته پیوند خورده است و سبب می شود مواد از خود قطبیدگی (polarity) مغناطیسی نشان دهند (این قطب ها را به قیاس با قطب های مغناطیسی زمین شمال و جنوب می خوانند). وقتی این قطبیدگی ها باهم تماس پیدا می کنند نیروی هایی پدید می آورند، مانند بارهای الکتریکی، قطب های همانند همدیگر را دفع می کنند و قطب های ناهمانند همدیگر را جذب می کنند.

شاید بتوان گفت مغناطیس بیشترین شباهت را به الکتریسیته ساکن دارد؛ زیرا مواد مغناطیسی می توانند میدان های مغناطیسی ای تولید کنند که پیرامونشان را تحت تأثیر قرار دهد و مغناطیس می تواند میان مواد منتقل شود، اما الکتریسیته جاری هیچ معادل مغناطیسی ای ندارد. با این حال، هر چند بار الکتریکی ویژگی بنیادین ذرات زيراتمی است، پدیده های مغناطیسی آن قدرها بنیادی نیستند، همیشه در نتیجه حرکت بارهای الکتریکی ایجاد می شود؛ بنابراین، هرچند بسیاری از ذرات زيراتمی ویژگی ذاتی ای به نام گشتاورمغناطیسی (magnetic moment) دارند، در واقع این ویژگی محصول بار الکتریکی آن ها و تکانه زاویه ای یا «اسپین» شان است.

انواع مغناطیس

رفتار مغناطیسی مواد را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد:

فرومغناطیس (ferromagnetism)، پارامغناطیس (paramagnetism) و دیا مغناطیس (diamagnetism) . ضعیف ترین این ها دیا مغناطیس است که گرایشی است طبیعی در همه مواد؛ همه مواد در مقابل اعمال میدان مغناطیسی خارجی قطبیدگی مغناطیسی در خود ایجاد می کنند. این به طور طبیعی در نتیجه تأثیر میدان بر الکترون های درون ماده روی می دهد، یعنی اجسام دیا مغناطیس از سوی میدان های مغناطیسی دفع ضعیفی را احساس می کنند. پارامغناطیس شكل قوی تری از مغناطیس است که در مواد حساس دیا مغناطیس را در خود حل می کند. لازمه آن این است که ماده الکترون های تک و جفت نشده ای درون پوسته های اوربیتالی اش داشته باشد (زیرا معمولاً میدان های مغناطیسی دور الکترون های جفت شده به طور طبیعی متضاد هم اند و یکدیگر را خنثی می کنند؛ بنا بر اصل طرد پاولی در مکانیک کوانتومی). وقتی میدان مغناطیسی ای خارجی بر ماده ای بارامغناطیس یاد می شود، معمولاً «گشتاورهای مغناطیسی» (magnetic moments) الکترون های جفت نشده با میدان هم سو می شوند و بدین ترتیب آن را می کنند و موقتا ماده را مغناطیسی می کنند، اما وقتی میدان برداشته می شود گشتاورهای مغناطیسی به سرعت به سوگیری های تصادفی پیشین خود برمی گردند.

فرومغناطیس قوی ترین صورت مغناطیس است و تنها صورتی است که در آن مواد می توانند همیشگی مغناطیسی شوند؛ مانند پارامغناطیس، به ماده ای نیاز دارد که الکترون های جفت نشده ای داشته باشد که گشتاورهای مغناطیسی شان به میدان اعمال شده پاسخ دهند؛ اما ترجیح طبیعی مواد فرومغناطیس مانند آهن، نیکل و کبالت این است که گشتاورهای مغناطیسی منفردشان را با یکدیگر هم سو کنند (تا شکلی پایدار با کمترین انرژی ممکن را حفظ نمایند). درنتیجه، گشتاورهای مغناطیسی فرومغناطیس حتی پس از اینکه میدان های مغناطیسی بیرونی برداشته شدند هم سو می مانند. این سبب می شود بتوانند میدان های خود را تولید کنند. تنها راه «پاک کردن» فرومغناطیس از ماده این است که میدانی دیگر را با سوگیری ای متفاوت بر آن اعمال کنیم یا اینکه ماده را تا بالای «دمای کوری» آن (Curie temperature) حرارت دهیم. مغناطیس دائم صورتی ضعیف تر هم دارد که به آن فری مغناطیس (ferrimagnetism) می گویند. فری مغناطیس در موادی مانند مگنتیت (magnetite) معدنی وجود دارد. اثرات آن به فرومغناطیس شبيه است، اما سبب آن تا حدی متفاوت است.

القای الکترومغناطیسی

وقتی رسانایی تحت تأثیر میدان مغناطیسی متغیری قرار می گیرد (میدانی که در حرکت است، یا میدانی که قدرتش در طول زمان تغییر می کند)، در اثر پدیده ای به نام القای الکترومغناطیسی (electromagnetic induction) نیروی محرکه ای در آن پدید می آید (که معمولاً با جریانی الکتریکی همراه است. ) این پدیده را در اوایل دهه ۱۸۳۰ فیزیکدان انگلیسی مایکل فارادی (Michael Faraday) و فیزیکدان آمریکایی جوزف هنری (Joseph Henry) کشف کردند. القای الکترومغناطیسی مبنای کار ابزارهای الکتریکی بسیاری است؛ شامل مولدها، موتورها و ترانسفورماتورها. تأثیر میدان مغناطیسی بر گشتاورهای مغناطیسی الکترون های منفرد در رسانا القا را سبب می شود. فارادی بعداً قانونی را به دست داد که نشان می داد نیروی محرکه متناسب است با اهنگ تغییرات میدان مغناطیسی ای که از مدار می گذرد. با این حال، با توجه به این حقیقت که جریان های الکتریکی القایی خود میدان های مغناطیسی ای پدید می آورند که با میدانی که خود آن ها را به وجود آورده، در تقابل اند )پدیده ای به نام قانون لنتس( ( Lenz ' s law) ، اوضاع پیچیده می شود.

آهن ربای الکتریکی

درست همان گونه که میدان الکتریکی متحرک یا متغیر اختلاف پتانسیل ایجاد می کند و جریان هایی را پدید می آورد که در رساناهای نزدیک جاری می شوند، بار متحرک در رسانا هم پیرامون خود میدان مغناطیسی ایجاد می کند. این پدیده را در سال ۱۸۱۹ دانشمند دانمارکی هانس کریستین ارستد (Hans Christian Orsted) کشف کرد. او وقتی به این کشف رسید که متوجه شد عقربه قطب نمای آهن ربایی در مجاورت سیمی که جریان از آن می گذرد، منحرف می شود.

راهی متداول برای مهار کردن این پدیده اهن ربای الکتریکی است. ساده ترین شکل این اهن رباها از سیم پیچی ساخته شده که از چندین حلقه سیم تشکیل شده است که اغلب برای سهولت دور هسته ای عایق پیچیده شده است. وقتی به جای هسته مادهای فرومغناطیس (معمولاً آهن) بگذاریم، پدیده به شدت بزرگتر خواهد شد، زیرا گشتاورهای مغناطیسی درون هسته با میدان سیم پیچ هم سو می شوند. برخلاف آهن ربای دائمی، می توان قدرت اهن ربای الکتریکی را با تغییر جریان یا خاموش کردن به آسانی دستکاری کرد.

جریان متناوب

در تقابل با جریان مستقیم (DC)، جهت جریان متناوب (AC) در هر ثانیه چندین بار تغییر می کند و در نتیجه جریان خالص در هر نقطه دائما در حال تغییر است. AC را معمولاً برحسب بسامدش (۵۰ تا ۶۰ هرتز در شبکه های برق تجاری)، بیشینه جریانش و ولتازش توصیف می کنند. شاید بر اساس شهودمان تصور کنیم کاراترین شیوه بهره گیری از الکتریسیته جریان مستقیم است، اما در واقع موقعیت های اندکی در کار است که در آن ها ویژگی های دی سی ضروری است. در این میان، امتیاز اصلی جریان متناوب این است که می توان ولتاژش را به کمک ترانسفورماتور به اسانی تغییر داد. ولتاژهای بالا برای انتقال انرژی در مسافت های طولانی بسیار مناسب اند؛ زیرا فقط با استفاده از جریان های کوچک می توان مقادیر بزرگ انرژی را جابه جا کرد و افت انرژی ناشی از مقاومت توسط شدت جریان تعیین می شود. از سوی دیگر، جریان های بالا برای انجام کار الکتریکی واقعی در امور خانگی و صنعتی بسیار مناسب اند. هرجا نیاز باشد می توان جریان متناوب را به نسبت آسان به جریان مستقیم تبدیل کرد و این یکی دیگر از دلایلی است که سبب شده جریان متناوب ابزار استاندارد توزیع توان الکتریکی شود.

موتور الکتریکی

موتور الکتریکی ابزاری است که از اثرات الکترومغناطیسی برای تولید حرکت مکانیکی بهره می برد. در کل، کار موتورها وابسته به نیروهایی است که میان رساناها تولید می شود. آن ها از دو عنصر اصلی تشکیل شده اند: «چرخانه» (rotor) که حرکت مکانیکی تولید می کند و «ایستانه» (stator) که معمولاً میدان های مغناطیسی ای را ایجاد می کند که برای به راه انداختن موتور نیاز است. دست کم یکی از این عنصرها باید شامل «پیچ هایی» باشد؛ سیم پیچی رسانا که وقتی جریان از آن می گذرد میدان مغناطیسی تولید می کند. عنصر دیگر می تواند یک آهن ربای دائمی یا آهن ربای الکتریکی را به کار گیرد. ایده اصلی ساخت موتور ساده است: جریان متغیر در سیم پیچ میدان مغناطیسی ای من تولید می کند که از عنصر مغناطیسی دیگر دافعه ای دریافت می کند و سبب می شود چرخانه به آرامی بچرخد. بخش دشوار ماجرا این است که چرخش را یکنواخت سازیم: موتورهای جریان مستقیم از سوئیچی به نام کموتاتور (commutator)استفاده می کنند تا جهت جریان را در هر نیم دور چرخانه معکوس کند (بنابراین نیروی مغناطیسی همیشه در جهت یکسانی فشار وارد می کند) اما موتورهای جریان متناوب از واژگونی طبیعی جریان بهره می برند.

مولد

مولد یا ژنراتور (generator) ابزاری است که حرکت مکانیکی و القای الکترومغناطیسی را برای تولید جریان الکتریکی مهار می کند، بدین ترتیب می توان گفت ضد موتور الکتریکی عمل می کند. مولدها انواع مختلف دارند، اما بسیاری از آن ها از ایده اصلی دینام بهره می برند. توان مکانیکی باعث چرخش استوانه ای می شود که دور آن سیم هایی هادی پیچیده شده است و در میان حلقه ثابتی از آهن رباهای دائمی قرار دارد. همچنان که سیم پیچ ها در میدان مغناطیسی حرکت می کنند، اختلاف پتانسیلی درون آن ها القا می شود و جریان الکتریکی را سبب می گردد. از باد و فشار آب تا توان رکاب زدن، از توربین های بخار تا موتورهای درون سوز (internal combustion engines) می توانند منبع انرژی این نوع مولدها باشند.

همچنان که سیم پیچ ها می چرخند، دینام ها به طور طبیعی جریان AC تولید می کنند . در واقع، اگر به عنوان منبع نیروی خام از آن ها استفاده شود، به آن ها متناوب ساز (alternator) می گویند، اما در وسایلی مانند دینام دوچرخه، ابزاری به نام کموتاتور برای تضمین تولید جریان مستقیم به کار می رود، جریانی که یکنواخت در یک جهت جاری است.

الکترونیک آنالوگ و دیجیتال

تا بدينجا در این بخش، فرض کرده ایم که جریان الکتریکی به شکل پیوسته تغییر می کند، به بیانی دیگر جریان در بازه ای معین می تواند هر مقداری داشته باشد. این رفتار «آنالوگ» این جریان را که دائم در تغییر است برای بازنمایی ویژگی هایی که به همین ترتیب تغییر می کنند، مناسب می سازد. مثلاً سامانه های رادیویی سنتی، صدا را به شکل جریانی متغیر کدگذاری می کنند؛ جریانی که سیگنال هایی را مخابره می کند که گیرنده ها می توانند رمزگشایی کنند.

اما نظام های آنالوگ مشکلاتی دارند. مهم ترینشان اینکه به آسانی دچار اختلال یا «نوفه» (noise) می شوند؛ یعنی نوسان هایی تصادفی که همچنان که سیگنال درون نظام پیش می رود پیدا می شوند.

حذف این نوسان های تصادفی دشوار است و کیفیت اطلاعاتی را که قرار است در سر دیگر فرآیند استخراج شود، کاهش می دهد. سیگنال دیجیتال جایگزینی است برای سیگنال آنالوگ. در سیگنال دیجیتال جریان تنها مقادیر مشخصی می تواند داشته باشد. در عمل دیجیتال با نظام دوتایی (binary) هم معناست؟ جریان فقط می تواند دو حالت داشته باشد (حاضر یا غایب) و این دو حالت با ارقام یک و صفر بازنمایی می شوند. نظام عددی دوتایی با پایه ۲ نظامی «مکان مقداری» ( place - value ) است شبيه به نظام دوتایی ما، اما فقط دو رقم دارد.

بدین ترتیب، مثلاً اعداد ۰، ۱، ۲، ۳ و ۴ می شود 0،1 ، ۱۰، ۱۱، ۱۰۰. در تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال باید مقدارش را مرتب اندازه گرفت یا نمونه برداری کرد و آن مقدار را در هر لحظه به دوتایی تبدیل کرد. نتیجه دنباله ای است از 1ها و 0 ها که تا حد زیادی در برابر مشکلات تضعیف سیگنال مصون است و همچنین برای به کارگیری در سازه های الکترونیکی مانند دیودها بسیار مناسب است.

نیمه هادی

نیمه هادی ماده ای است با ویژگی های الکتریکی منحصربه فرد، ویژگی هایی که همان گونه که از نامش برمی آید، آن را میان رساناها و عایق ها قرار می دهد. نیمه هادی ها عموما ترکیب هایی از عنصرهای گروه چهارده جدول تناوبی اند، مانند سیلیسیم (silicon) و ژرمانیم (germanium) . این فلزهای خالص شبکه های بلوری می سازند که معمولاً به طور طبیعی یا با فزونی الکترون های باردار منفی همراه اند (نیمه هادی های نوع n) یا «حفره های» (holes) مشخصی دارند با بار خالص مثبت (نیمه هادی های نوع p). هردوی این ها می توانند همچون حامل بار عمل کنند. با الايش (doping) بخش هایی از بلور نیمه هادی به ناخالصی ها، نسبتاً آسان می توان نواحی نوع p و نوع n ایجاد کرد.

نیمه هادی ها ویژگی های مفید بسیاری دارند، مانند جریان یک طرفه بار و رسانایی بالا در دماهای بالاتر. با مهندسی نیمه هادی ها سازه های الکتریکی بسیار متنوعی مانند دیودها و ترانزیستورها ساخته اند و الکترونیک نوین را بنیان نهاده اند.

دیود

دیود سازه الکتریکی به نسبت ساده ای است که تا حدودی شبیه شیر در سامانه های فیزیکی عمل می کند که شارش آزادانه جریان میان دو پایانه را در یک جهت اجازه می دهد و در برابر گذر آن در جهت مخالف به شدت مقاومت می کند (اگر کاملاً آن را سد نکند). در واقع بسیاری از طرح های اولیه دیودها در دوران پیش از کوچک سازی (miniaturization) دریچه نام داشتند. موفق ترین آن ها، دریچه گرمایونی (thermionic)، در صفحه بعد آمده است. در مواد نیمه هادی، دیودها را می توان با ایجاد «اتصال p – n» تولید کرد؛ فزونی حفره های مثبت در یک سو و فزونی الکترون های منفی در سوی دیگر. جریان از سوی نوع n، پرالکترون، به سوی نوع p جاری می شود، اما در جهت مخالف بر نخواهد گشت.

دیودها می توانند اعمال بسیار متفاوتی انجام دهند؛ یکی از مفیدترینشان یک سو کردن جریان متناوب و تولید جریان مستقیم است. همچنین این امکان وجود دارد که دیودهایی بسازیم که شارش جریان را فقط «به پیش » اجازه دهند، درصورتی که بر آستانه معینی از اختلاف پتانسیل فائق آمده باشد.

ترانزیستور

ترانزیستور پایه گستره عظیمی از وسایل الکترونیکی نوین است. دست کم سه پایانه دارد و طوری طراحی شده که ولتاژ و جریانی که بر یک جفت اعمال می شود، شارش جریان در جفت دیگر را کنترل کند، بنابراین ترانزیستور می تواند مانند کلید عمل کند (جریان کنترل اعمال شده خروجی روشن یا خاموش را تعیین می کند)، یا مانند تقویت کننده (amplifier) ، زیرا خروجی می تواند سیگنال کنترل را بازتاب دهد اما جریانی زیادتر را تأمین می کند. می توان از چیدمان های گوناگون ترانزیستورها برای اجرای اعمال منطقی استفاده کرد.

ترانزیستورهای آغازین ابزارهای بزرگی بودند که اساس کارشان دریچه هایی شیشه ای بود که همچون تریودهای گرمایونی (thermionic triode) عمل می کردند. رایج ترین انواع آن ها ترانزیستور اتصال دوقطبی (bipolar junction) ساندویچ نیمه هادی (semiconductor sandwich) با ساختار npn یا pnp و ترانزیستور اثر میدانی (field effect transistor) است. دومی چهار پایانه دارد که در آن جریان الکتریسیته میان دو پایانه را میدان الکتریکی میان دو پایانه دیگر تعیین می کند.

دروازه های منطقی

با چیدن شماری سازه الکترونیکی مانند ترانزیستور و دیود می توان ابزارهایی ساخت که اعمال منطقی را اجرا کنند. مثلاً ابزاری که دو سیگنال را تحلیل کند و فقط زمانی خروجی داشته باشد که هر دو مقدار مشخصی داشته باشند (عمل «و». (AND واحدهای جداگانه ای از این نوع که به دروازه های منطقی معروف اند، پایه فناوری رایانه است.

انواع اصلی دروازه های منطقی از این قرارند: And ، OR و. NOT در دروازه OR اگر سیگنال از یکی از دو پایانه ورودی وارد شود خروجی تولید می کند. دروازه NOT فقط در صورتی خروجی می دهد که هیچ ورودی ای نداشته باشد. از ترکیب های این انواع پایه می توان برای ساخت دروازه هایی بهره برد که قادر به اجرای اعمال منطقی پیچیده تری باشند، مانند NAND و. NOR در سامانه های الکترونیکی اولیه ترانزیستورها و دریچه های شیشه ای تخلیه شده بزرگ به کار می رفت، اما در رایانه های نوین معمولاً این ها به شکل سازه های میکروسکوپی از جنس نیمه هادی در می آیند و در مدارهای مجتمع (integrated circuits) یافت می شوند.

مدار مجتمع

مدار مجتمع یا آی سی (IC) تکه کوچکی از ماده ای نیمه هادی است که روی سطحش میلیون ها و حتی میلیاردها سازه الکترونیکی مجزا چسبیده است. در فناوری امروز، آی سی همه جا هست. کارکردهایش از ذخیره داده ها شروع می شود تا پردازش های رایانه ای بیشتر ای سی های نوین از تکنولوژی سی موس( CMOS Complementary metal oxide semiconductor ) (نیمه هادی اکسید فلز مکمل) بهره می برند، که در آن بخش های مختلفی از نیمه هادی با اکسید فلزهای مختلف «آلاییده» (doped) شده تا ویژگی های نوع n و نوع p پیدا کنند. این اتصالات دیودها و ترانزیستورها و دروازه های منطقی و ساختارهای پیچیده تر را می سازند. بخش های مختلف یک زیرلایه (معمولاً ویفری از سیلیکن خالص) با یکی از دو نوع نیمه هادی و خطوطی نازک از ماده ای عایق یا فلزی رسانا مانند آلومینیم منقوش می شود؛ با استفاده از فناوری ای به نام طرح نگاری نوری (photolithography) که مشابه عکاسی سنتی است. در اندازه های بسیار کوچک، مدارها می توانند به شارش الکترون های منفرد واکنش نشان دهند، با این حال چنین سامانه های تخصصی ای برای اینکه بتوانند کار کنند به دماهای فوق العاده پایین نیاز دارند.

ابررسانایی

عبور الکترون از شبکه ای رسانا تقریباً همیشه با شکلی از مقاومت روبه رو می شود، حتی در بهترین رساناها. این پدیده معمولاً با دما افزایش هم می یابد. در مقابل نیمه هادی ها در دماهای بالاتر مقاومت کمتری تولید می کنند؛ اما ابررساناها طبقه نادری از مواد هستند که در شرایط مناسب، می توانند الکتریسیته را بی نقص با مقاومت صفر هدایت کنند. ابررساناها نه تنها رسانای بی نقص الکتریسیته اند، بلکه فعالانه میدان های مغناطیسی ای را که از آن ها عبور می کنند دفع می کنند.

مواد بسیاری شامل برخی فلزها، آلیاژها، سرامیک ها و حتی مولکول های آلی (کرین۔ بنیاد) وقتی تا زیر دمای معینی سرد می شوند، ابررسانا می شوند. در بیشتر موارد، این دما بین ۳۰ درجه سلسیوس (۵۴ درجه فارنهایت) و صفر مطلق است، اما در ابررساناهای به اصطلاح «دمای بالا»، دما بسیار بیشتر از این حد است (اما با استانداردهای روزمره همچنان بسیار سرد است).

ابر رسانایی به شیوه های مختلف بسیاری پدید می آید، اما رایج ترین صورتش را نظریه BCS ( Bardeen - Cooper- Schriefer)تبیین می کند. این نظریه که در دهه ۱۹۵۰ تکوین شد به الکترون هایی می پردازد که برای تشکیل «جفت های کوپر» (Cooper pairs) در دماهای فوق العاده پایین پیوند ضعیفی می خورند.

این جفت شدن این امکان را برایشان فراهم می کند که مانند طبقه ای از ذرات کوانتومی یعنی بوزون ها رفتار کنند. به نظر می رسد ابررسانایی BCS به طرق گوناگون به پدیده کوانتومی ابرشارگی شبیه است. همه جفت های کوپر قادرند ویژگی های یکدیگر را عینا به خود بگیرند. این حقیقت برهم کنش های آن ها را با فلز پیرامونشان به شدت کاهش می دهد.

ابررسانایی سنتی کاربردهای بسیاری دارد، شامل تولید آهن رباهای الکتریکی ابررسانای قوی که در پویشگرهای MRI و شتاب دهنده های ذرات به کار می رود. همچنین می توان این پدیده را در حسگرهای ظریف برای اندازه گیری گرما، نور و میدان های مغناطیسی به کار گرفت. در این میان، ابررساناهای دمای بالا، در حال حاضر، به دماهای بسیار سرد یعنی زیر ۱۴۰۔ درجه سلسیوس (۲۲۰- درجه فارنهایت) محدود می مانند. اگر نمونه های کاربردی تری یافته شود، احتمالاً در بسیاری از جنبه های فناوری روزمره انقلابی روی خواهد داد.

لوله افزاینده فتوالکتریک

لوله افزاینده فتوالکتریک (PMT) لوله خط ویژه ای است که نور را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می کند. اساس کار PMT پدیده فتوالکتریک است . در پدیده فتوالکتریک وقتی فوتون های نور به ماده برخورد می کنند، الکترون گسیل می شود. این پدیده را هاینریش هرتز (Heinrich Hertz) در سال ۱۸۹۷ کشف کرد و در سال ۱۹۰۵ اینشتین آن را تبیین کرد. در جلوی لوله، فوتون های نور به سطحی که بار منفی دارد و فوتوکاتد (photocathode) خوانده می شود برخورد می کنند و سبب گسیل الکترون می شوند. سپس این الکترون ها به وسیله الکترودی متمرکز کننده در یک پرتو متمرکز می شوند. پس از آن، میان مجموعه ای از الکترودها می جهند. این الکترودها داينود (dynode) نام دارند و هر یک در ولتاژ مثبت بالاتری نسبت به داینود پیش از خود نگه داشته می شود. میدان الکتریکی میان داینودها پدیده ای آبشاری ایجاد می کند و در هر مرحله الکترون های بیشتری ازاد می کند. سرانجام این الکترون ها به الکترود پایانی (آند) می رسند و جریان قابل ملاحظه ای تولید می کنند. پی ام تی ها اساس ساخت نخستین دوربین های تلویزیونی الکترونیکی اند و اگرچه در این حوزه سی سی دی ها (CCDs) جای آن ها را گرفته اند، هنوز در علم و صنعت پزشکی کاربردهای گسترده ای دارند.

لوله پرتو کاتدی

همه ابزارهای الکترونیکی این گونه نیستند که با حرکت الکترون ها در سیم های رسانا سروکار داشته باشند - لوله پرتو کاتدی (CRT) پرتوهای الکترون ها را از طریق اتاقک شیشه ای خلا کنترل می کند. الکترون ها از ابزاری به نام تفنگ الکترونی پدیدار می شوند و با میدان های الکتریکی شتاب می گیرند و در پرتویی باریک متمرکز می شوند. سپس این پرتو با میدان های مغناطیسی دیگر شکست پیدا می کند تا الگوهایی را روی صفحه ای در دیگر سر لوله دنبال کند. پوششی فلورسنت در سطح داخلی صفحه وجود دارد که هرجا که رشته برخورد کند می درخشد و بدین ترتیب الگوها را مرئی می کند. فناوری CRT اساس کار اسیلوسکوپ ها (Osciloscope) و دیگر ابزارهای نمایش است، و مدت ها وسیله اصلی نمایش تصاویر تلویزیونی بود. تفنگ الکترونی خود الكترودی است با بار منفی یا کاتدی است که آن قدر گرم می شود تا الکترون های آن از سطحش آزاد شوند (فرایندی که گسیل گرمایونی نام دارد). پژوهش های فیزیکدان بریتانیایی جی جی تامسن (J.J . Thomson) بر این «پرتوهای کاندی» مستقیماً منجر به کشف الکترون در سال ۱۸۹۷ شد.

دستگاه بار جفت شده

دستگاه بار جفت شده که بیشتر به سرواژه اش CCD معروف است نوع ویژه ای از آی سی است که در بسیاری از سامانه های تصویرسازی الکترونیکی بافت می شود. این دستگاه فوتون های نوری را که به آرایه ای از عنصرهای تصویری، یا «پیکسل»، برخورد می کنند به بار الکتریکی تبدیل می کند. (عرض هر پیکسل چند میکرون (یک میلیونیم متر) است). هر پیکسل خازنی است که در آن لایه نازکی از دی اکسید سیلیس عایق، میان زیرلایه نیمه هادی و رسانایی که رو قرار می گیرد، همچون ماده ای دی الکتریک عمل می کند. فوتون هایی که به سطح رویین برخورد می کنند از طریق پدیده فتوالکتریک الکترون تولید می کنند. بار در سطح ارایه متناسب با شمار فوتون هایی که به بخش های مختلف اصابت می کند جمع می شود و «چاه های پتانسیل» (potential wells) تشکیل می دهد. و این گونه است که سی سی دی ها وسیله ای بسیار کارا برای جمع کردن نور می شوند. در پایان نوردهی (exposure) تصویر، اولین پیکسل در آرایه بارش را به تقویت کننده انتقال می دهد که آن را به ولتاژ تبدیل می کند. این در حالی صورت می گیرد که هر پیکسل باقی مانده بارش را به پیکسل مجاور منتقل می کند. فرایند آن قدر تکرار می شود تا کل آرایه خوانده شود.

فیزیک هسته ای

فیزیکدان ها تا اوایل دهه ۱۹۰۰ گمان می کردند درون اتم ها کم وبیش یک شکل است. الکترون ها، تنها ذرات زيراتمی شناخته شده، اجسامی با بار منفی شمرده می شدند که در دریایی با بارکلی مثبت شناور بودند. تازه در سال ۱۹۱۱ بود که ارنست رادرفرد (Ernest Rutherford) دانشمندی زاده نیوزیلند کشف کرد که بیشتر جرم اتم در ناحیه کوچکی در مرکز آن جمع شده است؛ و بدین ترتیب فیزیک هسته ای متولد شد.

امروز می دانیم که قطر هسته اتم معمولی تنها چند فمتومتر (یک میلیونیم نانومتر) است، و اینکه هسته از دو نوع ذره سنگین تشکیل شده؛ پروتون که بار مثبت دارد و نوترون که بی بار است. توسعه فیزیک هسته ای تا حد زیادی به روابط میان این دو ذره مربوط بوده است و همچنین به دگرگونی های هسته ای ناشی از پرتوزایی. نخستین موارد پرتوزا در سال های پایانی دهه ۱۸۹۰ کشف شد و خیلی زود، هم به مثابه ابزاری مهم برای بیشتر آموختن درباره ساختار اتم بازشناخته شد و هم به مثابه آنچه می تواند منبع قوی انرژی باشد.

همه فرآیندهای پرتوزایی که روی زمین روی می دهد شکافتن یا «واپاشی» ایزوتوپی سنگین و ناپایدار است به ایزوتوپ هایی که سبک ترند و بلکه شاید هم پایدارتر. فیزیکدان ها سه نوع گسیل پرتوزا را در واپاشی ها از هم باز می شناسند: این سه به ترتیب افزایش توانایی نفوذشان به نام ذره آلفا ذره بتا و پرتو گاما معروف اند. از فرایندهای واپاشی طبیعی می توان همچون «ساعت رادیومتری» بهره برد که کاربردهای گسترده ای هم دارد، اما شکافتن عمدی ذره های سنگین یا «شکافت» (fission) می تواند منبع قوی انرژی هم در تولید نیرو و هم در ساده ترین سلاح های اتمی ساده باشد. فرایندی هسته ای قوی تری هم در کار است که به آن «گداخت» (fusion) می گویند. این فرایند روی زمین به شکل طبیعی روی نمی دهد، اما در گیتی فراوان یافت می شود، که سازوکار درخشش ستارگان است. گداخت دما و فشار فوق العاده زیادی می طلبد؛ در مرکز خورشید خودمان در دماهایی حدود پانزده میلیون درجه سلسیوس (بیست و هفت میلیون فارنهایت) و چگالی هایی صد و شصت برابر بیشتر از چگالی آب روی می دهد. در این شرایط هسته های عنصرهای سبک کنار هم فشرده می شوند و هسته های سنگین تری پدید می آورند و در این حین میزان زیادی انرژی اضافی آزاد می شود؛ اما بهره برداری انسان از گداخت هسته ای هنوز به رآکتورهای آزمایشی و بمب هیدروژنی محدود می شود.

واپاشی آلفا

در فرایند پرتوزای واپاشی آلفا ذرهای سنگین به نام ذره آلفا گسیل می شود که از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. ذره آلفا با هسته هلیم چهار، دومین عنصر سبک در گیتی، یکی است. در نتیجه گسیل آلفا از عدد اتمی دو تا کم می شود و از جرم اتمی چهارتا.

واپاشی آلفا رایج ترین روش در هسته های ناپایدار است برای خلاص شدن از پروتون ها و نوترون های اضافی شان (پروتون ها و نوترون ها را یک جا نوكلئون می خوانند). می توان عنصرهایی را که عدد اتمی شان بزرگتر از ۵۲ (تلوریم) است با ذره های آلفا بمباران کرد و واپاشی آلفا را در آن ها برانگیخت؛ اما در عنصرهایی که عدد اتمی شان بالای ۹۰ (توریم) است واپاشی آلفا خود به خود روی می دهد، اما این راه تنها راه خلاصی عنصرها از ذره های سنگین اضافی شان نیست؛ از شکل های نادرتر گسیل نوکلئون دفع مستقیم یک تک پروتون یا نوترون یا یک جفت پروتون است.

واپاشی بتا

واپاشی بتا فرآیندی پرتوزاست که در آن ذرهای سبک وزن (معمولاً الكترون اما گاهی پادماده متناظر آن، پوزیترون) مستقیم از هسته آزاد می شود. این پدیده بر پایه فهم ما از ساختار اتم پرسش روشنی را بر می انگیزد اصلاً الکترون در هسته چه کار می کند؟

پاسخ احتمالاً این است که خوب الكترون پیش از رویداد واپاشی در هسته وجود ندارد. نیروی پیشران در پس واپاشی بتا درواقع تبدیل خود به خودی نوترون به پروتون یا (در موارد کمتر) تبدیل پروتون به نوترون است تا هسته پایدارتر و ازنظر انواع ذره متوازن تر شود. الکترون یا پوزیترون هم تنها برای به تعادل رساندن بار مثبت و منفی ایجاد می شود که در گذار پروتون / نوترون آزاد می شود. در نتیجه واپاشی بتای استاندارد جرم اتمی هسته واپاشی شده کم و بیش ثابت می ماند، اما عدد اتمی یکی بیشتر می شود.

گسیل گاما

در مقابل واپاشی آلفا و بتا که ذره آزاد می کردند، واپاشی گاما فقط تابش الكترومغناطیس ساطع می کند، به شکل پرتوهای گامای پرانرژی. شکل های دیگر شکافت اغلب هسته را در وضع برانگیخته وامی گذارند و همچنان که نوکلئون ها خود را برای رسیدن به صورتی کم انرژی تر بازمی چینند، انرژی های اضافی به شکل گسیل پرتوهای الکترومغناطیس آزاد می شود. در واکنش های گداخت هسته ای نیز تابش گاما راه اصلی برای آزاد کردن انرژی اضافی است. چگالی ماده در دل ستارگانی مانند خورشید تضمین می کند که بیشتر انرژی پرتو گاما پخش می شود و داخل خورشید را گرم می کند، بنابراین تا زمانی که تابش خورشیدی از سطح خورشید بگریزد، بیشترش به صورت های کم انرژی تر تقلیل یافته است.

تابش گاما با فاصله زیاد از دیگر گسیل های پرتوزا نافذترین و آسیب رسان ترین است و تنها راه سد کردن راه آن کاربرد مانع های ضخیمی از جنس مواد چگال مانند سرب است.

نوترینو

نوترینو ذره ای است بی بار الکتریکی (خنثی) و تقریباً بی جرم که در جریان بسیاری واکنش های هسته ای ایجاد می شود و در واقع محصول جانبی این واکنش هاست. در سال ۱۹۳۰ ولفگانک پاولی (Wolfgang Pauli)، فیزیکدان نظری اهل اتریش، وجود این ذره را پیشنهاد کرد تا راهی باشد برای توجیه حفظ ویژگی «اسپین» کوانتومی در جریان واپاشی بتا. نوترینو به سختی با دیگر صورت های ماده وارد واکنش می شود و آشکارسازی آن بسیار دشوار است. یک تریلیون تای آن ها (که بیشترشان در خورشید با سرعتی نزدیک سرعت نور تولید می شود) هر لحظه از بدن ما عبور می کنند و به همان سادگی از میان سنگ های سخت هم میگذرند. به همین سبب آشکارسازهای نوترینو را (که اغلب در پی تابش چرنکف (Cherenkov radiation) اند) دور از دسترس دیگر ذره ها، در اعماق زمین نصب می کنند. مدت ها دانشمندان گمان می کردند نوترینوها بی جرم اند، اما اکنون می دانیم که آن ها میان سه شکل در نوسان اند - فرآیندی که به مقدار اندکی جرم نیاز دارد. در نتیجه شاید نوترینو بتواند سهمی در مسئله معروف به «ماده تاریک» در گیتی داشته باشد.

انرژی بستگی

انرژی بستگی هسته معیاری است برای میزان انرژی لازم برای فروکاهی هسته به پروتون ها و نوترون های تشکیل دهنده آن. این میزان خود را به شکل اختلاف جرم یا «کسر جرم» اندک اما مهم موجود میان هسته و مجموع نوکلئون های تشکیل دهنده اش نشان می دهد. جرم هسته همیشه کمتر از مجموع جرم نوکلئون هاست و این با انرژی بستگی مثبت توصیف می شود. میزان جرم اندکی مستقیماً به انرژی بدل شده است. طبق معادله مشهور اینشتین .

هر عنصر و ایزوتوپ انرژی بستگی یگانه خود را دارد که شکل یافتن «منحنی انرژی بستگی»ای را مانند آنچه در صفحه بعد آمده ممکن می کند. در عنصرهای سبک وزن انرژی بستگی با جرم افزایش می یابد، اما گداخت عنصرهای سبک انرژی آزاد می کند زیرا مجموع انرژی های بستگی همه هسته های درگیر در طول فرآیند کاهش می یابد. در عنصرهایی که عدد اتمی شان بالای ۲۶ (آهن) است، انرژی بستگی با افزایش جرم کاهش می یابد، بنابراین شکافت هسته ای انرژی آزاد می کند.

زنجیره واپاشی

اغلب واپاشی رادیوایزوتوپ ها ناپایدار از طریق شکافت هسته ای منجر به ایجاد نسل جدیدی از ایزوتوپ ها می شود که شاید به همان اندازه ناپایدار باشند، اگر نه بیشتر. در نتیجه اغلب رسیدن به وضعیت پایدار نهایی شماری رویداد واپاشی جداگانه را در بر دارد که یک جا آن ها را با نام زنجیره واپاشی می شناسیم. مثلاً زنجیره واپاشی اورانیم 238( U(238) ) نوزده مرحله مستقل را پشت سر می گذارد تا در نهایت به ایزوتوپ پایدار سرب Pb206 برسد.

در هر مرحله از زنجیره واپاشی، یک ایزوتوپ والد یک ایزوتوپ دختر را به وجود می آورد. وقتی با مواد پرتوزا سروکار داریم، اغلب حضور ایزوتوپ های دختر مشکل ساز می شود؛ مثلاً ایزوتوپ های اورانیم که کاربرد آن در سوخت هسته ای رایج است نیمه عمرهای فوق العاده طولانی ای دارند و بنابراین اورانیم خود اصولا آن چنان پرتوزا نیست. با این حال، محصولات زنجیره واپاشی آن شامل ایزوتوپ های رادیم و رادون است که هر دو نیمه عمرهایی بسیار کوتاه تر دارند. پرتوزایی این عنصرهاست که کار کردن و پردازش سنگ معدن اورانیم را خطرناک می کند.

رادیومتری و اندازه گیری های ایزوتوپی

دانشمندان با اندازه گیری نسبت ایزوتوپ های درون یک ماده (مثلاً نمونه ای زمین شناختی یا بافت های باستان شناختی) اطلاعات شگفت انگیزی درباره آن درمی یابند. نمونه ها معمولاً با استفاده از طیف سنج های بزرگ تحلیل می شود تا بتوان مواد تشکیل دهنده شان را مشخص کرد و توزیع ایزوتوپ هایشان را تحلیل کرد.

شاید زمان سنجی رادیومتری شناخته شده ترین کاربرد ایزوتوپ ها باشد. با این روش می توان به سن سنگ ها و مواد آلی پی برد. مخلوط ایزوتوپ ها در سنگ مذاب وقتی جامد می شود، یا در ارگانیسمی زنده وقتی می میرد، محیط زمان خود را بازتاب می دهد، پس اگر بتوانیم نسبت های ایزوتوپ های والد و دختر را در نمونه اندازه بگیریم، می توانیم دریابیم از لحظه ای که «ساعت رادیومتری» به کار افتاده چه مدت زمانی طی شده است.

با این حال، زمان سنجی رادیومتری آن چنان ساده و سرراست نیست. معمولاً رادیوایزوتوپ هایی که نیمه عمرهایشان به ویژه طولانی است تاریخ های بسیار دقیقی را به دست نمی دهند، حال آنکه آن ها که نیمه عمرهای کوتاه تری دارند می توانند چنان سریع واپاشی کنند که پس از مدت زمانی تقریباً کوتاه به کلی ناپدید شوند (مثلاً کربن ۱۴ که در شگرد مشهور زمان سنجی کربنی به کار می رود، برای نمونه های کهن تر از ۶۰۰۰ سال بی استفاده است).

وزن متغیر ایزوتوپ ها می تواند مسائل دیگری را در تحلیل ها به وجود آورد؛ زیرا وزن متغییر ممکن است سبب شود ایزوتوپ ها درون برخی محیط های خاص انباشت شوند. مثلاً کربن ۱۴ معمولاً در اقیانوس ها جمع می شود، بنابراین زمان سنجی کربنی ارگانیسم های دریایی در مقایسه با آن ها که ساکن خشکی اند می تواند «نامتوازن» باشد. با این حال، این پدیده ها صرفا مشکلاتی نیستند که باید بر آن ها فائق آییم، بلکه درعین حال در خود اطلاعات ارزشمندی درباره محیط های گذشته دارند. مثلاً مولکول های آبی که ایزوتوپ سنگین اکسیژن ۱۸ را داشته باشند معمولاً در طول شرایط اقلیمی سرد تبخیر نمی شوند، بنابراین غیابشان در برخی لایه ها درون ورقه های یخی قطبی (که ایشان درنهایت از جو آمده است) شاهد خوبی است بر عصرهای یخبندان باستانی. حتی نسبت های ایزوتوپی می توانند درباره اقلیم کنونی هم اطلاعاتی دهند میزان دی اکسیدکربن جوی که کربن ۱۴ دارد شاهدی مهم است بر اینکه افزایش این گاز گلخانه ای ناشی از سوختن سوخت فسیلی غنی شده با ایزوتوپ سنگین است.

شمارشگر گایگر

شمارشگرگایگر آشناترین ابزار برای آشکارسازی گسیل های هسته ای است. این ابزار که آنقدر کوچک است که می توان آن را در دست گرفت، هر بار که عبور ذرهای رادیواکتیو را تشخیص می دهد تقی صدا می کند و معمولاً صفحه نمایشی الکترونیکی دارد که نرخ گسیل کلی را نشان می دهد. بیشتر طرح ها از لوله ای با دیواره ضخیم تشکیل شده که در یک سر آن دریچه ای وجود دارد که با گاز بی اثر کم فشاری پر شده است. سیمی مجزا از میان لوله رد می شود و این در حالی است که سطح داخلی لوله نیز رساناست. بدین ترتیب وقتی شمارشگر گایگر روشن است، اختلاف پتانسیلی چند صد ولتی میان این دو ایجاد می شود.

وقتی ذره باردار الفا یا بتا از میان لوله نازک دریچه لوله می گذرد، اندک امکانی به گاز می دهد تا ذره را هدایت کند (در برخی طرح ها، اثر برتو گاما بر داخل لوله می تواند پدیده مشابهی را به وجود آورد). پس جرقه ای میان دو الکترود ایجاد می شود و پدیده ای بهمنی شمار الکترون هایی را که از گاز عبور می کنند چند برابر می کند و جریانی قابل اندازه گیری را در طول مدار ایجاد می کند.

انرژی شکافت

برای مهار انرژی شکافت هسته ای، فیزیکدان ها از پدیده ای به نام شکافت القایی بهره می برند. معمولاً واکنش های هسته ای پیش بینی ناپذیرند، با این حال در شرایط درست و با به کارگیری رادیوایزوتوپ ها درست (رایج ترین آن ها اورانیم ۲۳۵ است) ضربه ذره نوترون می تواند رویداد شکافت را برانگیزد و در نتیجه دو هسته سبک تر و نوترون های اضافی منفرد و پرسرعتی تولید کند. بعد این نوترون ها می توانند رویدادهای شکاف تازه ای را موجب شوند و «واکنشی زنجیره ای» را به راه بیندازند. چندین نوع رآکتور متفاوت طراحی شده است، اما همواره هدف اصلی این است که واکنش زنجیره ای به نحوی مهارشده و ایمن حفظ شود. این هدف با استفاده از محیطی به نام آرام کننده (moderator) برآورده می شود که سرعت نوترون ها را کاهش می دهد و واکنش زنجیره ای را تنظیم می کند. سرعت پیش روی واکنش به شماری عوامل وابسته است که از آن جمله میزان ماده «شکافای» (fssile) موجود و دماست. انرژی از هسته راکتور به وسیله گرم کردن «سیال عامل» (working Auid) (معمولاً آب) و با استفاده از بخار تولید شده برای به حرکت درآوردن توربین الکتریکی استخراج می شود.

انرژی گداخت

نیروی گداخت قابلیت تولید میزان عظیمی انرژی ارزان و پاک را نوید می دهد. در واقع هدف راکتور گداخت این است که اتفاق هایی را که در دل خورشید روی می دهد تکرار کند؛ یعنی هسته های هیدروژن را باهم بیامیزد تا سبک ترین عنصر بعدی، هلیم، را به وجود آورد و انرژی آزاد کند. گداخت هسته های هیدروژن «عادی» شرایطی می طلبد که ایجاد آن روی زمین هنوز میسر نشده است. بنابراین راکتورهای آزمایشی برای بازسازی و تکرار مرحله های بعدی زنجیره گداخت خورشیدی طراحی شده اند و هسته های ایزوتوپ های سنگین تر هیدروژن یعنی دوتریم و تریتیم را (که هر دو نسبتاً آسان از آب دریا استخراج می شوند) ترکیب می کنند تا هلیم تولید کنند. هرچند مقداری پرتوزایی صورت می گیرد، ایزوتوپ های درگیر نیمه عمرهای کوتاهی دارند و مدیریت پسماند را آسان تر می کنند. تا به امروز گداخت را در دالان های دونات شکل انجام داده اند و در آن برای فشرده و گرم کردن سوخت از میدان های الکترومغناطیسی یا لیزر بهره برده اند. آزمایش های اخیر به «نقطه سربه سری» رسیده اند که انرژی ای که تولید می کنند بیشتر از انرژی ای است که برای به راه انداختن آزمایش لازم است؛ اما هنوز موانع فنی بسیاری بر سر راه است.

سلاح های هسته ای

بمب هسته ای با به راه انداختن واکنش زنجیره ای شدید و مهارناپذیری انفجار پدید می آورد. ساده ترین نوع آن - که در «بمب های اتمی»ای که در پایان جنگ جهانی دوم پرتاب شد به کار رفته بود. دو مقدار عظیم از ماده ای شکافا (معمولاً یا اورانیمی که به طور مصنوع با ایزوتوپ اورانیم ۲۳۵ غنی شده، یا عنصری از این هم سنگین تر یعنی پلوتونیم) را باهم ترکیب می کنند تا به «جرمی بحرانی» (critical mass) برسند که در آن واکنشی زنجیره ای مشابه آن ها که در راکتورهای شکافت مهارشده صورت می گیرد مجال می یابد که از مهار خارج شود. سلاحی از این هم قوی تر، بمب هیدروژنی، از بمب شکافتی «اولیه» کوچکی بهره می برد که گداخت را در مرحله ای ثانوی و غنی شده با ایزوتوپ های سنگین تر هیدروژن به راه می اندازد. این مرحله گداخت خود در پوششی از اورانیم ضعیف شده (depleted uranium) (محصولی جانبی در فرآیند غنی سازی) صورت می گیرد، و فوران نوترون هایی که با انفجار گداخت تولید می شوند می تواند سبب شکافت این اتم ها شود و از این هم بیشتر انرژی آزاد کند. به لحاظ نظری، مرحله های گداخت بیشتری می تواند افزوده شود تا به توان انفجاری متناوبی دست یابد که برحسب مگاتن اندازه گیری شوند (معادل میلیون ها تن تی ان تی).

فیزیک کوانتومی

وقتی در اوایل سده بیستم فیزیک کوانتومی بنیان نهاده شد، شیوه نگاه تازه ای را به جهان به ارمغان آورد؛ شیوه ای افشاگرانه و گاه مرعوب کننده. انقلاب کوانتومی قطعیت کهنه فیزیک کلاسیک را با خود برد و صحبت از احتمالاًت، برهم نهی خروجی های ممکن و از همه مشهورتر عدم قطعیت را به جای آن نشاند.

به زبان ساده، فیزیک کوانتومی فیزیک بسیار کوچک هاست اثرات آن فقط در سطح اتم های منفرد یا ذره های زیراتمی مشاهده پذیر می شود و جهان «ماکروسکوپی» بزرگ مقیاس را تا حد زیادی دست نخورده می گذارد (بنابراین هنوز می توان قانون های فیزیک کلاسیک را در بیشتر موقعیت ها به کار بست). مسئله حیاتی در جهان کوانتومی مفهوم دوگانگی موج-ذره است بدین معنی که موج و ذره آن گونه که می نمایند دو پدیده متمایز و بسیار متفاوت نیستند. بلکه در عوض موج (به ویژه موج الکترومغناطیسی) می تواند گاهی مانند ذره رفتار کند و بالعکس.

مشخصه کلیدی دیگر در مدل کوانتومی این است که در مقیاس های بسیار کوچک، ویژگی های به ظاهر پیوسته «کوانتیزه» اند (به واحدهای بسیار کوچک اما مجزایی خرد شده اند.) این مسئله نخستین بار اوایل دهه ۱۹۰۰ با کشف فوتون پدیدار شد؛ «ذره های نور» که انرژی ای را که موج های الکترومغناطیسی دریافت می کنند به طور مؤثر کوانتیزه می کنند. از دهه ۱۹۲۰ به این سو، روشن شد درست همان گونه که ذره ها می توانند رفتار موج گونه از خود نشان دهند، بسیاری از ویژگی هایشان نیز کوانتیزه است و به کمک «عددهای کوانتومی» به بهترین نحو توصیف می شوند. مثلاً تكانه زاویه ای الکترون ها فقط می تواند مقادیر کوانتومی به خصوصی داشته باشد. با این حال شاید چالش برانگیزترین وجه فیزیک کوانتومی این عقیده باشد که مشخصه های موج گونه ذره ها آن ها را ذاتا پیش بینی ناپذیر می کند. دیگر نمی توانیم از قطعیت سخن به میان آوریم، فقط می توانیم از احتمال نتایج متفاوت بگوییم؛ احتمالی که با تابع موج فراموش نشدنی شرودینگر (Schradinger) توصیف می شود. تقلا برای فهم روشی که در آن ماهیت «احتمالی» جهان کوانتومی با ماهیت به ظاهر مطلق یا «قطعی» جهان بزرگ مقیاس پیوند بخورد شماری «تفسیر» از فیزیک کوانتومی را به وجود آورده است که اغلب نه تنها چالش های علمی را باز می نمایند که بلکه نماینده چالش های فلسفی اند.

پدیده فتوالکتریک

وقتی برخی فلزها در برابر نور قرار می گیرند الکترون گسیل می کنند. این پدیده را فتوالکتریک می خوانند. فهم این پدیده آسان است. الکترون ها انرژی تابش را جذب می کنند و مجال می یابند تا از مدارهایشان دور هسته اتم آزاد شوند. در آغاز سده بیستم مشکل فیزیکدان هایی که فتوالکتریک را مطالعه می کردند این بود که این پدیده فقط در مورد بسامدهای خاص نور روی می داد. هر قدر نور قرمز به سطح می تاباندند بی تأثیر بود، اما حتی نور آبی ضعیف هم می توانست سبب گسیل شود. اما قطعاً نور قرمز می تواند حامل انرژی بیشتری باشد.

راه حلی که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ پیشنهاد کرد این بود که الکترون ها با جریان پیوسته ای از نور انرژی نمی گیرند، بلکه با «بسته های» جداگانه یا« فوتون ها» انرژی می گیرند. انرژی فوتون ها به بسامد یا رنگ آن ها وابسته است. نور قرمز شدید صرفا تعداد زیادی فوتون کم انرژی است. این کشف به کوانتیزه بودن نور مشهور شد.

دوگانه موج-ذره

مفهوم اساسی فیزیک کوانتومی این است که پدیده های موج گونه گاه می توانند مانند ذرات رفتار کنند و بالعکس. این مفهوم نخستین بار در تابش الکترومغناطیسی به کار بسته شد و نه تنها پدیده فتوالکتریک را که این قابلیت نور را نیز تبیین کرد که می تواند در خلا بدون حضور محیطی که حملش کند سیر کند. در سال ۱۹۰۰ فیزیکدان آلمانی مکس پلانک (Max Plank) مدلی برای الگوهای مشخصه تابش جسم سیاه پیشنهاد کرده بود که مفهوم «نور کوانتیزه» تلویحا در آن وجود داشت. او با این مفهوم فقط به شکل ابزاری ریاضی رفتار کرده بود و تازه در سال ۱۹۰۵ بود که اینشتین این نظریه را که فوتون های نور ممکن است واقعیت فیزیکی باشند، اعلام کرد.

شاید عجیب ترین وجه «دوگانگی موج- ذره» این باشد که نمایش هر دو رفتار موج گونه و ذرہ گونه نور (یا ماده، چراکه این دوگانگی دو سویه است) درآن واحد ناممکن است. آزمایش دو شکاف (dual slit) که در صفحه بعد می بینید نمایش پرطرفداری است از این «اعجاب کوانتومی».

میکروسکوپ الکترونی

میکروسکوپ الکترونی، همان گونه که از نامش برمی آید، ابزاری است که برای بررسی اجسام ریز از الکترون بهره می گیرد، نه نور. وجود این ابزار تماما بر این حقیقت استوار است که الکترون هایی که طول موجشان حدود صد هزار بار کوچک تر از طول موج نور مرئی است، می توانند ویژگی های موج گونه نشان دهند. میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission electron microscope TEM )که نخستین بار در اوایل دهه ۱۹۳۰ به کار گرفته شد، یک پرتو الکترون پرانرژی را (پرتو کاتد) از میان نمونه نازکی از ماده ای خاص شلیک می کند. در اینجا الکترون ها پیش از اینکه تصویری روی صفحه یا فیلم عکاسی ایجاد کنند با پدیده هایی مانند پراش یا پراکندگی (scattering) منحرف می شوند. تی ای ام ها می توانند به بزرگنمایی ۱۰ میلیون برابر هم برسند. میکروسکوپ الکترونی روبشی (scanning electron microscopes)، که در دهه ۱۹۵۰ ساخته شد، پرتوی باریکی را از سطح یک نمونه چندین بار عقب و جلو عبور می دهد، و در این حین آشکارسازهایی تغییرات نور پراکنده شده را اندازه می گیرند. بیشینه بزرگنمایی این میکروسکوپ ها محدود به یک میلیون بار است، اما قابلیت شان در تصویر گرفتن از نمونه های به نسبت بزرگ کاربردشان را بسیار زیاد می سازد.

معادله موجی شرودینگر

تا چند سال پس از اینکه دوبروی پیشنهاد کرد که ذرات می توانند ویژگی های موج گونه از خود نشان دهند، بحث هایی در جریان بود که واقعا این سخن چه معنی می دهد. دیری نگذشت که فیزیکدان المانی مکس برن (Max Born) نشان داد که شکل «موج مادی» (matter wave) به احتمال حضور ذره مورد مشاهده در نقطه ای معین از فضا مربوط می شود، هر چه موج در آن نقطه قوی تر باشد، احتمال یافتن ذره در آن نقطه بیشتر است. معادله موجی دانشمند اتریشی شرودینگر که در سال ۱۹۲۶ منتشر شد، برای نخستین بار شکل موجی ذره (توزیعش در فضا) را توصیف کرد.

با این حال، حتی پس از اینکه شکل موج تثبیت شد، شبهاتی باقی ماند بر اینکه آیا این موج صرفا ابزاری است پیش بینی کننده برای اندازه گیری رفتار اجسام نقطه ای کلاسیک (آن گونه که در تفسیر کپنهاگ پیشنهاد شده) یا اینکه معنایی عمیق تر دارد. شرودینگر از واقعیت عینی تابع موج دفاع می کرد، اینکه ویژگی های ذرات واقعا در طول حجم های کوچکی از فضا «پخش می شود». درست همان گونه که معادله هایش توصیف می کنند.

تونل زنی کوانتومی

یکی از اولین و موفق ترین کاربردهای فرضیه دوبروی کشف تونل زنی کوانتومی بود، توانایی ذرات کوانتومی موج گونه در گذر از موانعی که در فیزیک کلاسیک غیرقابل عبورند.

تونل زنی به ویژه از طریق مطالعه واپاشی آلفا کشف شد. درواقع برای اینکه ذره آلفا (هسته هلیم) بتواند از هسته اتم سنگین تری آزاد شود، باید بر انرژی بستگی مابقی هسته فائق آید؛ اما تا دهه ۱۹۲۰ روشن بود که توصیف کلاسیک ذره هرگز نمی تواند انرژی کافی برای فرار از «چاه پتانسیل» ناشی از انرژی بستگی را تامین کند. در سال ۱۹۲۸ پژوهشگران نشان دادند که می توان معادله شرودینگر را در مورد ذره آلفا به کار برد و به آن امکان داد تا به بیرون هسته «تونل بزند.» بدین ترتیب هم بسامد فرآیند گسیل تبیین می شود و هم انرژی های ذره هایی که آزاد می شوند. از آن زمان به بعد ثابت شد تونل زنی کاربردهای دیگری نیز دارد؛ از جمله این پدیده نقشی کلیدی در ساخت نیمه هادی های نوین و ترانزیستورها دارد.

تفسیر کپنهاگ

تفسیر کپنهاگ از میان چندین مدلی که برای چگونگی اندرکنش فیزیک کوانتومی با جهان بزرگ مقیاس وجود دارد مشهورترین است. این تفسیر را در میانه دهه ۱۹۲۰ فیزیکدان دانمارکی نیلز بور (Niels Bohr) و همکار المانی اش ورنر هایزنبرگ (Werner Heisenberg) در دانشگاه کپنهاگ تکوین کردند. تفسیر کپنهاگ با تابع موج کوانتومی مانند ابزاری مطلقا ریاضی برخورد می کند که احتمال مشاهده نتیجه ای معین، مثلاً یافتن ذره را در مکانی خاص توصیف می کند. عمل «مشاهده» (که هر اندرکنشی میان جهان های کوانتومی و ماکروسکوپی را در بر می گیرد) «فروریزش تابع موج» را سبب می شود، یعنی توافق بر سر نتیجه ای خاص از میان بسیار امکان موجود، به طوری که فقط نتیجه ای واحد مشاهده شود.

این تفسیر جنبه های مهمی از فیزیک کوانتومی را مانند اصل عدم قطعیت پیش بینی می کند، اما اروین شرودینگر (Erwin Schradinger) به آن به دیده شک می نگرد، بسیاری از فیزیکدان های مدرن نیز تفسیرهای دیگر را ترجیح می دهند، مانند تفسیر «جهان های بسیار».

گربه شرودینگر

شاید مشهورترین آزمایش ذهنی در فیزیک را اروین شرودینگر در سال ۱۹۳۵ طرح کرده باشد. او این آزمایش را برای برجسته کردن دغدغه هایش درباره تفسیر کپنهاگ از نظریه کوانتومی مطرح کرد. همان گونه که در صفحه بعد می بینید، این آزمایش تلاش می کند عدم قطعیت واپاشی پرتوزا را در موقعیتی ماکروسکوپی تصویر کند؛ اینکه گربه در جعبه زنده است یا مرده.

شرودینگر می گوید، اگر عقاید ناظر- محور هایزنبرگ درست باشد، گربه در دو وضع روی هم وجود خواهد داشت؛ هم زمان زنده و مرده. با این حال، اکنون این نسخه از تفسیر کپنهاگ را نسخه ای افراطی می دانند، نیلز بور پیش از آن گفته بود که تابع موج چنین نظامی درست لحظه ای که آشکارساز واپاشی ای را اندازه گیری می کند بدون نیاز به ناظری خارجی (به اصطلاح «فروریزش عینی») فرومی ریزد؛ بنابراین هرگز برهم نهی ای ماکروسکوپی در کار نخواهد بود. تفسیرهای دیگر مسئله را به روش های دیگری حل می کند.

دیگر تفسیرهای کوانتومی

تفسیر کپنهاک مشهورترین تفسیر نظریه کوانتومی است. با این حال این مسئله که چطور عدم قطعیت کوانتومی بر جهان واقعی که ما در مقیاس ماکروسکوپی درک می کنیم اثر می گذارد، نزد فیزیکدانان با رویکردهای دیگر هم بررسی شده است. اغلب این رویکردها بر مفهوم «ناهمدوسی» (decoherence) استوار است؛ اینکه تابع موج نظامی کوانتومی زمانی که اندازه گیری می شود می تواند از فاز خارج شود و ظاهر فروریزش بگیرد، بدون اینکه واقعا فروریزد.

در اواخر دهه ۱۹۵۰، فیزیکدان آمریکایی هیو اورت سوم (Hugh Everett III) مفهوم ناهمدوسی را برای پروراندن تفسیر «جهان های بسیار» اش به کار برد. این تفسیر که در میان نویسندگان داستان های علمی تخیلی بسیار پرطرفدار است، دال بر این است که همه وضعیت های ممکن تابع موج با محیطشان تعامل دارند و از طریق درهم تنیدگی کوانتومی (quantum entanglement) جهان های بی شماری را ایجاد می کند که هیچ یک نمی تواند دیگری را مشاهده کند؛ یعنی برای هر وضعیت ممکن یک رویداد کوانتومی ممکن یک جهان وجود دارد. درون هر جهان معین، تابع موج به شیوه ای خاص فرو می ریزد، زیرا تنها یک وضعیت می تواند دیده شود.

شاید دیگر تفسیرها به این اندازه جسورانه نباشند. مثلاً رویکرد «تاریخ های یکدست» (consistent histories) برای «تعميم» تفسیر کپنهاگ مفاهیم ریاضی پیچیده ای را به کار می گیرد. این رویکرد از فروریختن تابع موج اجتناب می کند اما در عوض این امکان را فراهم می کند که احتمالاًت مختلفی به «تاریخ های» ممكن كل نظام منتسب شود هم در مقیاس کوانتومی و هم در مقیاس کلاسیک. با این حال، برخلاف تفسیر جهان های بسیار، رویکرد تاریخ های یکدست دال بر این نیست که همه تاریخ های ممکن روی می دهند، یا این گونه نیست که امکان پیش بینی تاریخ هایی را که روی خواهند داد فراهم کند؛ چرا که این تفسیر صرفا جهان را آنگونه که مشاهده می کنیم توصیف می کند. در پایان، تفسیر هنگردی یا آماری (ensemble or statistical interpretation) نظر خاص خودش را درباره معنی تابع موج دارد: این تفسیر به جای آنکه آن را ویژگی یک نظام کوانتومی منفرد بداند، در عوض با آن مانند توصیفی از احتمالاً در گستره آرایه یا هنگردی عظیم و فرضی از نظام های یکسان برخورد می کند. هر نظام معین درون هنگرد فقط یک وضعیت ممکن دارد و موقعیت نظام درون هنگرد است که تابع موج را توصیف می کند. شاید اکنون چندان به مزاجمان خوش نیاید، اما در مسئله چگونگی تأثیر فیزیک کوانتومی بر جهان «واقع»، اینشتین همین نگاه را ترجیح می داد.

اعداد کوانتومی

یکی از عجیب ترین جنبه های نظریه کوانتومی این حقیقت است که بسیاری ویژگی ها در مقیاس زیراتمی «کوانتیزه» از آب در می آیند، برخلاف آنچه در فیزیک کلاسیک توقع داریم تغییرشان پیوسته نیست، بلکه مقادیر گسست های دارند، یعنی واحدهای صحیح یا نصف صحیح و نمی توانند مقادیر میان این ها را داشته باشند. گفته می شود ویژگی هایی که این گونه عمل می کنند «اعداد کوانتومی» را نشان می دهند.

یکی از مهم ترین مجموعه های عددهای کوانتومی آن ها هستند که جاگیری الکترون ها را در پوسته های اوربیتالی حول هسته اتم توصیف می کنند. عدد کوانتومی اصلی n شماره پوسته از داخل به بیرون است، حال آنکه عددهای کوانتومی سمتی (azimuthal)، مغناطیسی و «فرافکنی اسپین» m1،I وms همگی کمک می کنند تا جاگیری الکترون درون پوسته مشخص شود. مقادیر هر عدد محدود به چیزهایی است که در صفحه بعد آمده است. اغلب قواعد حاکم بر روابط میان ذرات بنیادی به عددهای کوانتومی خودشان مربوط است. شاید مهم ترین آن ها ویژگی ای است که اسپین (spin) خوانده می شود.

اسپین

اسپین شکل یگانه ای از تکانه زاویه ای است که مختص ذره هایی است که پذیرای قانون های فیزیک کوانتومی اند، مانند اتم و ذره های زیراتمی. اسپین به تکانه زاویه ای چرخشی کلاسیک در اشیاء چرخان که دور محور خود می گردند، مانند فرفره چرخان یا سیاره، شبیه است ( اما یکی نیست).

خود را به صورت یک تکانه زاویه ای اضافه نشان می دهد که می توان آن را مستقل از تکانه زاویه ای اوربیتال در ذره های درون اتم مشخص کرد و «عدد کوانتومی اسپین» (s) خاص خود را دارد که کوانتیزه است؛ یا عدد صحیح کامل یا نیمه.

اسپین از این رو اهمیت دارد که بر مجموعه گسترده ای از رفتارهای ذره اثر می گذارد و ذرات بنیادی را به دو گروه اصلی به نام فرمیون ها (fermions) و بوزون ها (bosons) تقسیم می کند. در بحث بار الکتریکی، اسپین مسئول ایجاد گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی ذره های منفرد است.

بوزون ها، فرمیون ها و اصل طرد پاولی

مشخصه اسبین هم ذرات بنیادی و هم اتم ها را به دو خانواده متمایز تقسیم می کند. بوزون ها آن هایی هستند که اسپینشان صفر یا عدد صحیح (عدد کامل) است و فرمیون ها آن هایی هستند که اسپینشان عدد صحیح نیمه است، مانند 5⁄2 ، 3⁄2 ، 1⁄2 . همه ذرات بنیادی ماده (هادرون ها و لپتون ها) فرمیون اند، اما وقتی در ذره های و اتم های بزرگتر باهم ترکیب می شوند، می توانند بوزون بسازند. تمایز مهم این دو گروه این است که فرمیون ها از اصل طرد پاولی (Pauli exclusion principle) پیروی می کنند. ولفگانگ پاولی (Wolfgang Pauli) فیزیکدان اتریشی در سال ۱۹۲۵ این اصل را کشف کرد.

طبق این اصل هیچ دو فرمیون یکسانی در یک نظام نمی توانند هم زمان وضعیت کوانتومی یکسانی را اشغال کنند (وضعیت کوانتومی را عددهای کوانتومی توصیف می کند.) این اصل تبیین گر این حقیقت است که الکترون ها در اتم هر یک موقعیت های اوربیتالی و سطوح انرژی مستقلی را اشغال می کنند. در این میان، بوزون ها از مجموعه ای از قواعد به نام آمار بوز- اینشتین ( Bose - Einstein statistics) پیروی می کنند که وجود بسیاری ذرات را در وضعیت های یکسان مجاز می کند (چنان که مثلاً در بسیاری از ابرسیال ها می توان دید).

تصویرسازی تشدید مغناطیسی

با بهره گیری از مشخصه کوانتومی اسپین، پویشگرهای تصویرسازی تشدید مغناطیسی (MRI) این امکان را به دانشمندان می دهند که بافت های نرم بدن انسان را در سه بعد بررسی کنند و بر محدودیت ها و خطرات عکاسی سنتی با اشعه ایکس فائق آیند. شگرد MRI از این بهره می برد که بدن انسان بیشتر از مولکول های آب تشکیل شده است و بنابراین سرشار از هسته های هیدروژن است، که بسیاری از آن ها فقط یک تک پروتون هستند. وقتی این بافت در میدان مغناطیسی قوی قرار گیرد، گشتاورهای مغناطیسی این پرتونها هم سو می شود و یک پالس امواج رادیویی می تواند میدان الکترومغناطیسی ای ایجاد کند که انرژی آن (بسامد تشدید شده) دقیقا با انرژی لازم برای معکوس کردن یا «برگرداندن» اسپین آن ها برابر است. همین که میدان برداشته شود، هسته ها به وضعیت اولیه شان برمی گردند و سیگنال هایی با بسامد رادیویی آزاد می کنند که می توان آن ها را آشکار کرد و به تصویر کشید. گستره بزرگی از عوامل گوناگون در تعیین سرعت برگشت هسته ها به وضعیت نخست شان مؤثرند و به پزشکان مجال می دهند تا بافت های مشخص با مشخصه های خاص را شناسایی کنند. برای تقویت رفتار بافت های خاص و برجسته کردن آن ها می توان از «ماده حاجب» (contrast agent) نیز استفاده کرد.

تبهگنی

در شرایط عادی، موقعیت ذره زیراتمی درون اتم «سطح انرژی» آن را تعیین می کند. وقتی دو ذره یک سطح انرژی را در یک نظام اشغال کنند تبهگن (degenerate) خوانده می شوند. آن ها تنها در صورتی می توانند در یک سطح انرژی باشند که ویژگی های دیگری هم داشته باشند (با عدد اتمی خاص خودشان) تا به کمک آن ها از یکدیگر تمیز یابند. مثلاً، همه الکترون های موجود در پوسته اوربیتالی ای خاص (با عدد کوانتومی n) اساساً سطح انرژی یکسانی دارند، اما سه عدد کوانتومی دیگر m1،I و ms امکان وجود چندین الکترون را در وضعیت های تبهگن فراهم می کنند.
در شرایط ابرچگال (مثلاً در هسته های اختری رمیده که با نام کوتوله های سفید یا ستاره های نوترونی معروف اند)، اثرات کوانتومی فشاری تولید می کنند که ذرات را از هم دفع می کند. کوتوله های سفید (با جرم خورشیدی ماده ای که در حجمی به اندازه زمین فشرده شده است) به وسیله «فشار الكتروني تبهکن» از کل رمبش به جامانده اند، حال آنکه ستاره های نوترونی از این هم سنگین تر را فشار نوترونی تبهگن سرپا نگه می دارد.

درهم تنیدگی

در میان این همه مفهوم عجیب وغریب فیزیک کوانتومی، شاید درهم تنیدگی از همه عجیب تر باشد. در این پدیده ویژگی های کوانتومی دو ذره به یکدیگر وابسته می شوند، به طوری که اندازه گیری یکی از آن ها در لحظه بر ویژگی های آن دیگری تأثیر می گذارد.
نظام های درهم تنیده اماده سازی ویژه ای می طلبند؛ مثلاً به لحاظ فیزیکی این امکان وجود دارد که زوج الكترون ایجاد کنیم. اسپین های این دو الکترون باید مخالف هم باشد (طبق اصل طرد پاولی)، درحالی که اسپین واقعی هر ذره در وضعیت عدم قطعیت کوانتومی باقی می ماند (اروین شرودینگر این وضعیت را «درهم تنیدگی تابع موج» می خواند). وقتی این زوج از هم جدا شوند (حتی زمانی که فاصله عظیمی میان آن ها باشد) وقتی اسپین یکی از آن ها سنجیده شود، ذره دیگر خود به خود اسپینش را در جهت مخالف تنظیم می کند. این پدیده در لحظه روی می دهد، و آن طور که می نماید از سرعت نور و قواعد نسبیت تجاوز می کند. چندان جای شگفتی نیست که اینشتین آن را «عمل شبح وار از راه دور» می خواند.

رایانش و رمزنگاری کوانتومی

رشته رایانش کوانتومی، که از پدیده های کوانتومی برای پردازش داده ها بهره می گیرد، ظرفیت فوق العاده ای دارد، زیرا درحالی که یک «بیت» دوتایی داده های کلاسیک در هر لحظه تنها می تواند یک مقدار داشته باشد، یک «کیوبیت» (qbit) کوانتومی می تواند هر مقدار و همه مقادیر ممکن در بازهای معین را بگیرد: تا وقتی که اندازه گیری شود، به صورت «برهم نهی» همه وضعیت های ممکن وجود خواهد داشت. رایانه های کوانتومی به ویژه برای حل مسائل خاصی مناسب اند؛ مسائلی که در حال حاضر فقط با نیروی پردازشگر« جست وجوی ناهوشمندانه» (brute force) حل می شوند مثلاً آرایه ای از چند ده کیوبیت می تواند بیش از یک ترابایت داده معمولی ذخیره کند. رمزنگاری کوانتومی رشته ای بسیار نزدیک و مرتبط به رایانش کوانتومی است. این رشته پدیده های کوانتومی را برای ارسال پیام های مطمئن میان دریافت کننده ها به کار می گیرد. با کدگذاری اطلاعات به وسیله شگردهای کوانتومی، می توان شرایطی ایجاد کرد که در آن هر تلاشی برای خواندن (اندازه گیری) اطلاعات به گونه ای آن را مختل کند که قابل شناسایی باشد، این رمز «توزیع کلیدی کوانتومی» (quantum key distribution) است؛ موفق ترین رویکردی که تا به حال به دست آمده است.

ابر شاره ها (ابرسیال ها)

وقتی موادی مانند گازهای مایع شده تا دماهای نزدیک صفر مطلق سرد شوند رفتار عجیبی از خود نشان می دهند و همه گران روی (viscosity) و اصطکاک درونی شان را از دست می دهند. این وضعیت نامعمول ماده که به ابرشارگی (superfluidity) معروف است تا حدودی به ابررسانایی (superconductivity) شبیه است. این پدیده وقتی ایجاد می شود که همه ذره های درون ماده در وضعیت کوانتومی یکسانی قرار می گیرند و بنابراین به گونه ای رفتار می کنند که گویی یک تک ذره عظیم و منظم اند. نخستین ابرشاره ای که شناسایی شد هلیم مایع بود که در سال ۱۹۳۷ توسط فیزیکدان های دانشگاه کمبریج کشف شد.

اکثر ابرشاره ها چگالش بوز-اینشتین ( Bose - Einstein condensate) هستند که از گازهایی که اسپین کلشان صفر یا مقداری صحیح است (به عبارت دیگر، بوزون اند) تشکیل می شوند. با این حال ذرات فرمیونی (با اسپین نیمه صحیح) نیز می توانند به شیوه هایی ابرشاره شوند: رایج ترین روش به یکدیگر جفت کردن و ایجاد «جفت کوپر» (Cooper pair) است، به گونه ای که اسپین کل یا صفر شود یا عددی صحیح.

فیزیک ذرات

جست و جو برای کشف سازه های بنیادی ماده، قانون هایی که بر رفتارشان حاکم است و نیروهایی که آن ها را به هم پیوند می دهد و برهم کنش آن ها را ممکن می کند یکی از برنامه های پیش ران در فیزیک نوین است که مرزهای ریاضیات پیچیده و فناوری را نیز هل می دهد. خوشبختانه پژوهش های فیزیک ذرات بسیار کامل و دقیق است و اغلب استدلال های پشت نتایج آن بسیار با ابهت اند، اما جای شگفتی است که بسیاری از یافته های واقعی آن (و حتی برخی از پیش بینی هایش) شهودی به دست آمده است.

فیزیک ذرات در اصل با برهم کنش های میان ذرات بنیادی تجزیه ناپذیر و نیروهای بنیادی میان آن ها سروکار دارد. از میان سه ذره زیراتمی مشهور (پروتون، نوترون و الكترون) تنها یکی یعنی الکترون واقعا بنیادی است. برای شکستن سازه های سنگین تر می توان از شتاب دهنده های ذرات استفاده کرد. بدین ترتیب خیلی از ذرات پنهان که اغلب مخلوطی از ویژگی ها را از خود نشان می دهند آزاد می شود.

با این حال سرانجام روشن می شود بسیاری از این پیچیدگی ها را شمار محدودی ذره که به شیوه های بسیار متنوع ترکیب شده اند، پدید آورده اند. همین که همه پیچیدگی ها روشن شد و کنار رفت، شواهد کافی در دست خواهد بود برای حمایت از الگوی خوش قواره ای به نام مدل استاندارد.

چالش اصلی دیگر در فیزیک ذرات یکی کردن چهار نیروی بنیادینی است که بر برهم کنش ذرات حاکم است. ثابت شده که این مسئله از مسئله پیشین مشکل سازتر است. سه تا از این نیروها - الكترومغناطیس و نیروهای هسته ای قوی و ضعیف - ویژگی های مشترکی دارند که باعث می شود بتوان آن ها را با «نظریه های میدان کوانتومی» (quantum field theories) توصیف کرد. امیدهایی هم در کار است که بتوان آن ها را جنبه هایی از «نظریه میدان یکی شده» (unified field theory) واحدی دانست. اما گویا نیروی چهارم، گرانش، به شدت با آن سه تای دیگر فرق می کند و امیدها برای رسیدن به «نظریه همه چیز» (theory of everything) آنقدرها زیاد نیست. با وجود این، مفاهیم پیچیده نظریه ریسمان، با ابعاد بالاترش چشم انداز جذابی از نظریه همه چیز عرضه می کند که نه تنها نیروهای بنیادی را یکی می کند، بلکه ویژگی های گوناگون ذره های بنیادی را هم تبیین می کند.

مدل استاندارد

پیشگامان موفق ترین رویکرد نوین به فیزیک ذرات فیزیکدانان آمریکایی شلدن گلشو (Sheldon Glashow)، استیون واینبرگ (Steven Weinberg) و عبدالسلام (Abdus Salam) بودند که آن را در دهه ۱۹۶۰ پایه ریزی کردند. این رویکرد در دهه ۱۹۷۰ پس از اینکه چند پیش بینی اولیه اش با شتاب دهنده های آن زمان تأیید شد شکل کنونی اش را گرفت. این رویکرد که امروز آن را با نام مدل استاندارد می شناسیم الگوی فوق العاده ساده ای را برای ذرات بنیادی پیش بینی می کند.

طبق مدل استاندارد، ماده از سه «نسل» فرمیون (ذراتی که اسپین آن ها نیمه صحیح است) با سطوح انرژی و جرم مختلف تشکیل شده است. هر نسل از یک جفت کوارک و یک جفت لپتون تشکیل شده است و متناظر با هرکدام از ذره های مادی پادماده ای (antimatter) در کار است (به منظور شفافیت بیشتر از شکل صفحه بعد حذف شده است). در ضمن نیروها با پنج «بوزون پیمانه ای» (gauge boSon) منتقل می شوند شامل بوزون های W با بار مثبت و منفی. آخرین ذره، بوزون هیگز (Higgs boson)، به میدان هیگز مربوط می شود که به ماده جرم می دهد.

شتاب دهنده ذرات

شتاب دهنده ذرات، همان گونه که از نامش برمی آید، دستگاهی است که برای شتاب دادن به ذرات اتمی و زیراتمی طراحی شده است. شتاب دهنده این ذرات را تا سرعت های بالا (نزدیک به سرعت نور) شتاب می دهد و سپس آن ها را با هم برخورد می دهد. هرچند اسم مستعار این دستگاه ها «اتم خردکن» (atom smasher) است، اما در واقع آن ها ذرات را به مؤلفه های کوچکشان تجزیه نمی کنند. در عوض، شدت نیرو درواقع ذره ها را نابود می کند و موجب فوران انرژی می شود، انرژی ای که طبق معادله مشهور اینشتین E=mc2 فورا به ذره های تازه بدل می شود. آشکارسازهای متنوعی مسیر این ذره ها را دنبال می کنند تا ویژگی های آن ها مانند جرم، بار الکتریکی و اسپین آن ها را به دست آورند. عموما شتاب دهنده ها برای تبدیل انرژی به ذره از الکترومغناطیس استفاده می کنند، شاید شتاب دهی در مقیاس کوچک فقط شلیک ذره ها به میدانی الکتروستاتیک (electrostatic field) با ولتاژ بالا باشد. اما شتاب دهنده های انرژی بالا معمولاً آهن رباهای الکتریکی قوی ای به کار می گیرند که به صورتی خطی یا دایره ای کنار هم قرار گرفته اند، به گونه ای که در برخورد دهنده بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider) می بینیم.

کوارک

کوارک سازه بنیادی ذرات زيراتمی سنگین مانند پروتون و نوترون است. هرگز نمی توان آن را به تنهایی یافت. اما در سال ۱۹۶۴ دو فیزیک دان آمریکایی ماری گل- من (Murray Gell - Mann )و جرج زویگ (George Zweig) مستقل از هم وجود کوارک ها را به لحاظ نظری پیشنهاد کردند و بعدتر آزمایش های شتاب دهنده ذرات وجودشان را ثابت کرد.

آزمایش ها ثابت کرده است که شش نوع یا «طعم» (favour) کوارک وجود دارد: بالا، پایین، شگفت، افسون، سروته. از این شش نوع کوارک های بالا و پایین با فاصله زیاد از دیگران پایدارترین اند. و همین دواند که پروتون ها و نوترون ها را می سازند (همان گونه که در صفحه بعد آمده). در کل، کوارک ها یا سه تایی باهم ترکیب می شوند و «باریون» (baryon) می سازند یا با ضدکوارک ها ترکیب جفت می شوند و «مزون» (meson) می سازند. همه کوارک ها اسپین دارند و بنابراین فرمیون اند و تحت تأثیر اصل طرد پاولی.
بار الکتریکی آن ها یا +2⁄3 است یا - 1⁄3، همچنین «رنگ باری» (colour charge) دارند که این امکان را به آن ها می دهد که از راه نیروی هسته ای قوی باهم برهم کنش کنند.

لپتون ها

ذراتی مادی را که تحت تأثیر نیروی هسته ای قوی نیستند لپتون می خوانند. شناخته ترینشان الكترون است، اما آزمایش ها نشان داده است که درواقع سه «نسل» لپتون در کار است. هر یک از این سه نسل شامل ذره ای با بار منفی و نوترینویی مربوط بدان است. الکترون سبک ترین و پایدارترین لپتون باردار است و با «الكترون نوترینو» (electron neutrino) در ارتباط است (تنها شکل نوترینو که می توان آن را مستقیماً شناسایی کرد). نسل دوم شامل میون ناپایدار و سنگین تر (μ^-) و میون نوترینوی آن (muon neutrino) تشکیل شده است. ذره های نسل سوم تاو(τ^-) و تاو نوترینو (tau neutrino) اند. لپتون ها اسپین دارند و بنابراین فرمیون اند؛ آن ها «رنگ بار» ندارند و از نیروی هسته ای قوی مصون اند، اما همچنان تحت تاثیر نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته ای ضعیف و همچنین گرانش اند. همچون همه شکل های ماده، لپتون ها هم پادذره های خود را دارند. اگر ذره لپتون باردار باشد، پادذره بار معکوس (مثبت) خواهد داشت. اگر ذره نوترینوی بی بار باشد، پادذره دست سانی (chirality) معکوس خواهد داشت. دست سانی ویژگی ای است مربوط به اسپین این ذره ها.

نیروهای بنیادی

ابر طبق مدل استاندارد، چهار نیرو مسئول برهم کنش هایی اند که ماده را کنار هم نگه می دارد. شاید مشهورترین آن ها نیروی الکترومغناطیسی باشد که بر ذره هایی که بار الکتریکی و گشتاور مغناطیسی دارند عمل می کند. نیروی الکترومغناطیسی به نسبت ضعیف است، اما در فاصله های طولانی هم می تواند اثر خود را داشته باشد؛ بنابراین تأثیرش را در بسیاری جنبه های جهان پیرامون ما آشکار می کند.

در مقابل، مقیاس عمل نیروهای هسته ای قوی و ضعیف، آن قدر کوچک است که تأثیرشان محدود به درون هسته اتم است. نیروی ضعیف بر همه فرمیون ها اثر می کند و در مقایسه با دیگر نیروها چندین ویژگی نامعمول دارد. نیروی قوی فقط بر هادرونها اثر می گذارد (کوارک ها و ذره های تشکیل دهنده آن ها).

در آخر، نیروی گرانش در میان نیروهای دیگر تک افتاده ای غریب است؛ فوق العاده ضعیف است و فقط زمانی تأثیرش محسوس است که با انباشتهایی عظیم از مواد سروکار داریم.

البته این نیرو در همه فاصله ها تاثیرش را دارد و بنابراین در شکل دادن به ساختار جهان بزرگ مقياس ضروری است.

مطالعه رفتار ذره ها در شتاب دهنده ها روشن می سازد که نیروهای مغناطیسی و هسته ای قوی و ضعیف در انرژی های بالاتر بیشتر و بیشتر به هم شبیه می شوند. بالاتر از آستانه ای معین، می توان الکترومغناطیس و نیروی ضعیف را با برهمکنش واحد «الکتروضعیف» (electroweak) توصیف کرد. فیزیکدانان نظری امیدوارند نیروهای قوی و الکتروضعیف نیز بتوانند در انرژی های از این هم بالاتر باهم یکی شوند و نظریه وحدت بزرگ را پدید آورند. با این حال، گرانش همچنان تک افتاده ای مشکل ساز باقی می ماند. پیش بینی های نظریه نسبیت عام اینشتین که گرانش را به خوبی توصیف می کنند، اغلب با پیش بینی های فیزیک کوانتومی در تعارض اند.

با وجود این مشکلات، بیشتر فیزیکدان ها معتقدند سرانجام ثابت خواهد شد که این چهار نیرو در نیروی یگانه ای به نام «ابرنیرو» تلفیق پذیر خواهند بود، نیرویی که لحظه ای کوتاه در شرایط کوره مانند مه بانگ که جهان را پدید آورده وجود داشته است. سپس نیروها به سرعت از هم جدا شده اند و چهار جنبه متفاوتی را که امروز می بینیم پدید آورده اند و برای اینکه اختلاف فاحش گرانش تبیین شود می گویند گرانش پیش از دیگر نیروها جدا شده است.

نیروی الکترومغناطیسی

مسبب بسیاری از پدیده های آشنایی که در جهان پیرامونمان مشاهده می کنیم نیروی الکترومغناطیسی است. این نیرو خود را به شکل نور و دیگر تابش ها و نیز در میدان های الکتریکی و مغناطیسی نشان می دهد. همچنین قادر است بر اجسام حساس (آن ها که بار الکتریکی یا گشتاور مغناطیسی دارند) در فاصله های طولانی اثر بگذارد.

در فیزیک کلاسیک، معمولاً الكترومغناطیس را پدیده ای میدانی می پنداریم؛ برخی اجسام پیرامون خود میدان های نیرو پدید می آورند، با خطوط نیرویی که بر اجسام درون میدان اثر می گذارد، اما ذره دقیقا از کجا« می داند» که باید به نیروی الکترومغناطیسی واکنش نشان دهد؟ این پرسش پرسشی دشوار است، زیرا الکترومغناطیس جنبه های گوناگونی دارد و از آنجا که نور موجی الکترومغناطیسی است، هر نظریه الکترومغناطیس هم باید با نظریه نسبیت خاص که رفتار نور را توصیف می کند در توافق باشد. موفق ترین تبیین برای چگونگی انتقال نیروی الکترومغناطیسی میان ذره ها به QED معروف است.

الکترودینامیک کوانتومی

الکترودینامیک کوانتومی، با QED، «نظریه میدان نسبیتی» است که نیروی الکترومغناطیسی را توصیف می کند. این نظریه را فیزیکدان ژاپنی سین-اتیرو تمناجا ( Sin - ltiro Tomonaga) و فیزیکدانان آمریکایی جولین شوینگر (Julian Schwinger) و ریچارد فاینمن (Richard Feynman) پروراندند. QAE نخستین نظریه ای بود که توانست با موفقیت نسبیت خاص را با فیزیک کوانتومی یکی کند و راه را برای نظریه های پیمانه ای (gauge theories) مشابه که تلاش می کنند دیگر نیروها را تبیین کنند باز کرد. کیوای دی در اصل به این می پردازد که چطور نیروی الکترومغناطیسی با معاوضه فوتون میان اجسام منتقل می شود. در این شرایط، فوتون ها نقش «بوزون های پیمانه ای» را بازی می کنند و لازم نیست در هیچ مفهوم قابل اندازه گیری ای شناسایی پذیر باشند. بنیان های ریاضی کیوای دی پیچیده اند، اما به لطف رویکرد نموداری ریچارد فاینمن درک موضوع به نسبت آسان شده است. دراصل، این رویکرد همه برهم کنش های کوانتومی ممکن را در نظر می گیرد و سپس احتمال های این رویدادها را نگاشت می کند و با هم جمع می کند.

بوزون پیمانه ای

در فیزیک ذرات، نظریه پیمانه ای نظریه ای است که می گوید بین ذرات مادی (متشکل از فرمیون های منفرد با اسپین نیمه صحيح) «بوزون های پیمانه ای» حامل نیرو، نیروها را جابه جا می کنند. (بوزون های پیمانه ای ذراتی اند با اسپین صفر یا صحيح). بوزون های پیمانه ای چهار نوع اند: فوتون ها (حامل نیروی الكترومغناطیسی)، ذرات W و Z(حامل نیروی هسته ای ضعیف) و گلئون ها (که نیروی هسته ای قوی را میان کوارک ها جابه جا می کنند).

در طول برهم کنش های بنیادی، بوزون های پیمانه ای در هر دو جهت ردوبدل می شوند، اما نکته مهم این است که ممکن است این فرایند از طريق ذره های« مجازی» صورت گیرد. این ذره ها بوزون هایی اند که به لطف «رابطه عدم قطعیت زمان انرژی» می توانند ناگهان و به مدتی بسیار کوتاه به عرصه وجود پا نهند؛ وجهی از اصل عدم قطعیت که پدیدآمدن آنی ذره های با انرژی (جرم) محدود را به مدت بسیار محدود مجاز می کند. موقعیت های حدی (مثلاً، در شتاب دهنده ها یا پیرامون سیاه چاله ها) بقای ذره های سنگین تر را در مدت های طولانی تر ممکن می سازد، تا حدی که ممکن است «واقعی» شوند و شناسایی پذیر.

پدیده کاسیمیر و انرژی نقطه صفر

برخی از بهترین شواهد بر وجود «ذره مجازی» که به کیوای دی و دیگر نظریه های کوانتومی مربوط است از پدیده کاسیمیر می ایند، پدیده ای که در سال ۱۹۴۸ به دست فیزیکدان هلندی هندریک کاسیمیر –(Hendrick Ca simir) کشف شد. پدیده کاسیمیر ناشی از پدیدایی خود به خودی فوتون های مجازی است که باعث می شود میان دو صفحه فلزی بی بار در خلا که فاصله اندکی باهم دارند، نیروی جاذبه ای بسیار کوچک تولید شود. می توان با این پدیده نیروی دافعه نیز تولید کرد.

وجود و قوت این پدیده با چندین آزمایش تأیید شده است و اکنون آن را انرژی زمین های و ذاتی برای نظریه های میدان کوانتومی می پندارند. گویا حتی در پایین ترین وضعیت انرژی در نظامی کوانتومی، بازهم چیزی مانند انرژی «نقطه صفر» ( zero - point ) یا «خلا» وجود دارد. شاید انرژی نقطه صفر منشأ پدیده رازآمیز «انرژی تاریک» باشد که مسبب انبساط جهان است. انرژی نقطه صفر می تواند تامین کننده منبع عظیم انرژی باشد، همچنین می تواند روش هایی برای تولید ماده «ناشناخته» برای باز نگاه داشتن کرم چاله ها عرضه کند.

نیروی هسته ای قوی

نیروی هسته ای قوی قوی ترین نیرو در میان همه نیروهای بنیادی است، اما فقط در بازه های فوق العاده کوچک عمل می کند و تنها ذراتی که در هسته اتم محصوراند آن را حس می کنند. این نیرو تنها میان هادرون ها (ذراتی که ویژگی ای به نام رنگ بار دارند) عمل می کند و بنابراین به کوارک های بنیادی و مزون ها و باریون ها محدود می شود ذراتی که به ترتیب از دو و سه کوارک تشکیل شده اند.

برهم کنش های نیروی قوی می تواند دو شکل متمایز داشته باشد و برخی فیزیکدان ها پافشاری می کنند که اصطلاح «نیروی قوی» باید منحصر به نیرویی شود که در بازه های فوق العاده کوتاه عمل می کند و درون مزون ها و باریون ها مستقیماً کوارک ها را به هم پیوند می زند. در این محیط، نیرو را ذره های بوزون پیمانه ای به نام گلوئون ها حمل می کنند. در مقیاس های اندکی بزرگتر، «نیروی قوی پس مانده» (residual strong force) میان مزون ها و باریون ها عمل می کند و ذره هایی به نام پیون (pion) آن را حمل می کند. پیون خود نوعی مزون است که از یک کوارک بالا و یک پادذره کوارک پایین تشکیل شده است.

کرومودینامیک کوانتومی

نظریه میدان های کوانتومی نیروی هسته ای قوی که به نام کرومودینامیک کوانتومی (کیوسی دی) (quantum chromodynamics ( QCD )) معروف است؛ مانند الکترومغناطیس کوانتومی، نظریه ای پیمانه ای است که طبق آن نیرو میان ذرات حساس به وسیله ذره های پیغام رسان (messenger particle) منتقل می شود. حامل های نیرو میان کوارک های منفرد بوزون های پیمانه ای یعنی گلوئون هایند، درحالی که آن ها که میان ذرات بزرگتر عمل می کنند «مزون پای» (pi meson) یا پیون هستند. در کیوسی دی، ویژگی ای به نام رنگ بار بر برهم کنش های نیروی قوی حاکم است. این نام تا حدی گمراه کننده است، زیرا این ویژگی ارتباطی به رنگ مرئی ندارد و شباهتش با بار الکتریکی شباهتی سطحی است و بس. کوارک ها می توانند یکی از این سه رنگ را داشته باشند - قرمز و سبز و آبی (رنگ پادکوارک ها برابر و متضاد است - «پاد قرمز» ولی آخر). سه کوارک درون بایرون باید رنگ های متفاوتی داشته باشند تا همدیگر را خنثی کنند تا از بیرون «سفید» به نظر آیند. با این حال، این خنثی شدن کامل نیست و رنگی «نشت می کند» و این گونه باریون ها نسبت به نیروی قوی پس ماندہ حساس می شوند.

نیروی هسته ای ضعیف

نیروی هسته ای ضعیف، همان گونه که از نامش برمی آید در مقیاس محدود هسته اتم عمل می کند و از نیروی قوی به مراتب ضعیف تر است. با این حال، چندین ویژگی یگانه و مهم دیگر دارد: بر همه فرمیون ها اثر می گذارد (ذره های «مادی»پایه)، تنها برهم کنشی است که قادر است نوع یا «طعم» (favour) کوارک ها را تغییر دهد و «نامتقارن» است.

نیروی ضعیف نیز مانند نیروهای هسته ای قوی و نیروهای الکترومغناطیسی، با نظریه ای پیمانه ای به بهترین نحو توصیف می شود. در این نظریه این نیرو بر طبق ویژگی ای ذاتی به نام ایزواسپین ضعیف (weak isospin) که با T3 نشان داده می شود بر فرمیون ها اثر می گذارد و در فضا از طریق بوزون های پیمانه ای به نام W+ و W- و Z جابه جا می شود.

این بوزون ها به انحای مختلف نامعمول اند. واضح تر از همه اینکه بر سه نوع اند (الکترومغناطیس و نیروی قوی هرکدام یک نوع می طلبند). افزون بر این، دره های *W و W بار الکتریکی دارند.

بدین ترتیب دو نوع مختلف تأثير ضعیف- نیرو پدید می آید، یکی برهم کنش های جریان خنثی ( neutral - current ) و دیگری برهم کنش های جریان - باردار .( charged - current ) برهم کنش های جریان - خنثی شبیه دیگر نیروها هستند؛ یعنی شامل تبادل ساده بوزون های خنثای Z و انتقال نیرویند حال آنکه برهم کنش های جریان باردار تبدیل ذره های متاثر را از نوعی به نوع دیگر نیز دربردارند.

مثلاً، لپتونی باردار مانند الکترون می تواند یک بوزون W با بار متضاد جذب کند تا به نوترینوی متناظرش بدل شود:
e- + W+ → v e
کوارک ها همچنین می توانند با از دست دادن یا جذب بوزون های W بار الکتریکی و طعم شان را تغییر دهند. رایج ترینش این است که یک کوارک پایین (d) می تواند با از دست دادن ذره W- به یک کوارک بالا (u) بدل شود:
d→u+W-

این سازوکاری است که در شکلی از پرتوزایی به نام واپاشی بتا روی می دهد. در این فرایند نوترون خود به خود به پروتون بدل می شود. در این شرایط، دره به سرعت فروپاشی می کند و یک الكترون ویک یاد نوترینوی الکترون تولید می کند که محصولات شاخص واپاشی بتا هستند.

میدان هیگز و بوزون هیگز

جرم بوزون های W و Z که نیروی هسته ای ضعیف را منتقل می کنند مشکل عظیمی برای فیزیکدان ها پیش آورده است، زیرا فرض بر این است که بوزون های پیمانه ای بی جرم اند. در سال ۱۹۶۴، فیزیکدان بریتانیایی پیتر هیگز (Peter Higgs) و دیگران وجود میدانی نامعمول و نفوذ پذیر در فضا را پیشنهاد کردند که می تواند از طریق «سازوکار هیگز» با بوزون ها برهم کنش داشته باشد و برخی تقارن ها را بشکند و بدین ترتیب سبب جرم دار شدن بوزون های W و Z شود. پژوهش های بیشتر نشان داد فرمیون ها (ذرات مادی) همچنین می توانند جرمشان را از طریق برهم کنش با میدان هیگز به دست آورند. این پژوهش ها وجود ذره ای متناظر، یعنی بوزون هیگز را نیز پیش بینی کرد، ذره ای بی بار الکتریکی، بی اسپین و بی رنگ بار. به زودی میدان و بوزون هر دو پایه های مدل استاندارد شدند: شناسایی بوزون هیگز وجود میدان را ثابت می کند و نشان می دهد که مدل استاندارد درست است، اما آشکارسازی این ذره جرم دار کوتاه عمر و به شدت ناپایدار چالش عظیمی بود. در سال ۲۰۱۳، از آزمایش های برخورد دهنده بزرگ هادرونی، مدرکی عملی بر وجود این ذره کشف شد.

نظریه وحدت بزرگ

نظريه وحدت بزرگ (جی یوتی) (Grand Unified Theory (GUT)) اصطلاحی پوششی است در فیزیک ذرات برای هر نظریه ای که «نیروی الکتروهسته ای» فراگیر و واحدی را توصیف می کند که برای یکی کردن الکترومغناطیس با نیروهای هسته ای قوی و ضعیف تلاش می کند. رابطه میان این نیروها تنها در انرژی های فوق العاده بالا به چشم می آید؛ جایی که نیروی الکتروهسته ای بر همه برهم کنش های زیراتمی حاکم می شود (زیرا در این مقیاس ها گرانش در مقایسه با دیگر نیروها خیلی ضعیف است). این حقیقت که نیروی هسته ای ضعیف و الکترومغناطیس همین حالا در نظریه «الکتروضعیف» باهم یکی شده اند پشتیبان محکمی برای جی یوتی است. افزون بر این، می توان نیروهای هسته ای و نیروی الکترومغناطیس را متعلق به «شیئی» ریاضی به نام گروه لی (Lie group) دانست که تقارن های خاصی دارد که به آن ها تقارن های پیمانه ای گویند (اصطلاح «بوزون سمانه ای» از اینجا می آید). این تشابه نیروها یکی از محکم ترین شواهد بر انديشه وحدت نیروهاست.

تقارن

یکی از مهم ترین مفاهیم در فیزیک ذرات گسترشی است در مفهوم هندسی تقارن. جسم فیزیکی را وقتی متقارن می خوانند که پس از عملی به نام تبدیل (transformation) اساساً بی تغییر باقی می ماند. (در تبدیل معمولاً محورهای مختصات می چرخند یا بالا و پایین می شوند.) حال آنکه قانون های فیزیک یا برهم کنش ها وقتی متقارن اند که پس از تغییری در مشخصه های ذرات تشکیل دهنده آن ها بی تغییر بمانند.

مدل استاندارد سه تقارن مختلف دارد: تقارن باری (تقارن C)( Charge - symmetry ) که در آن پادذره هر ذره جایگزین آن می شود، تقارن پاریته (parity symmetry) (تقارن P) که در آن جهت و اسپین ذرات معکوس می شود تا ذره های آینه ای ساخته شود و تقارن زمانی (time symmetry) (تقارن T) که در آن جریان زمان معکوس می شود. برخی فرآیندها هنگامی که تحت ترکیبی از دو تا از این تبدیل ها قرار می گیرند متقارن اند (مثلاً بار- پاریته یا تقارن سی۔ پی) و مدل استاندارد بر این عقیده پافشاری می کند که این تبدیل ها هر سه در هر شرایطی متقارن اند (تقارن سی پی تی).

وقتی فرایندی تقارن ندارد، می گویند برای تبدیل خاصی تقارن را نقض می کند. مثلاً برهم کنش های نیروی هسته ای ضعیف که با بوزون های W+ و W- سروکار دارند هم تقارن پارینه و هم تقارن سی پی را بر هم می زنند. نقض سی پی حوزه به ویژه خاصی است برای پژوهش در فیزیک نوین، زیرا فرایندی که در آغاز تاریخ جهان سی پی را بر هم زده باشد محتمل ترین سبب برای عدم تعادل میان ماده و پادماده در جهان امروز است. همچنین تقارن حوزه ای کلیدی در مطالعات برای رسیدن به نظریه اتحاد بزرگ است. برخی فیزیکدان های نظری باور دارند که مرحله کلیدی در این مسیر کشف «ابرتقارن» (supersymmetry) خواهد بود. ابرتقارن نوعی تقارن دیگر است که در آن متناظر با هر فرمیون از مدل استاندارد یک بوزون وجود دارد که «ابرشریک» (superpartner) خوانده می شود و به همین ترتیب هر بوزون مدل استاندارد یک ابرشریک فرمیونی متقارن خواهد داشت؛ اما علی رغم زیبایی نظریه، تاکنون شاهد محکمی یافت نشده که ثابت کند ذرات ابرشریک واقعا وجود دارند.

منبع: کتاب فیزیک در چند دقیقه - جایلز اسپارو - مترجم: مائده گلچین عارفی، فاطمه اربابی فر

  • منبع
  • حقوق نیوز

دیدگاه

شما هم می توانید دیدگاه خود را ثبت کنید



کد امنیتی کد جدید