آیا تاکنون فکرکرده اید که چرا برخی چیزها درون آب شناور هستند امابرخی دیگر ته آب میافتند؟

یا چرا چوب روی آب شناور ولی یک میخ آهنی ته ظرف آب می افتد و یااینکه آیا امکان دارد یک قطعه آهن شناوربماند تمامی این موضوعات به نیرویی مربوط می شود که ارشمیدس دانشمند یونان باستان کشف کرده است.

نیروی ارشمیدس چیست ؟
وقتی جسمی را درون یک شاره مثلا یک لیوان آب می اندازیم اگر جسم تماما درون آب فرو رود به مقدار حجم خود آب را جابجا می کند به نیروی وزن این مقدار آب جابجا شده نیروی ارشمیدس گویند که همیشه رو به بالاست و از رابطه ی زیر بدست می آید:

 

دقت کنید که در این رابطه چگالی شاره و vحجم شاره جابجا شده است که مساوی است باحجم قسمتی از جسم که داخل شاره است و gشتاب گرانشی است حال سوالی مطرح می شود و آن اینکه چه شرایطی لازم است تا یک جسم در یک شاره شناور شود ؟ می دانیم در به هر جسمی در یک میدان گرانشی نیروی وزن وارد می شود و به جسم درون شاره حداقل دو نیروی ارشمیدس و نیروی گرانش وارد می شود می دانیم که نیروی گرانش همیشه روبه پایین و نیروی ارشمیدس (نیروی شناوری) همیشه روبه بالا هرگاه این دو نیرو برابر باشند جسم درون آب غوطه ور می شود ولی فرق شناوری و غوطه وری چیست ؟ وقتی می گوییم جسمی شناور است که در سطح آب باشد اما جسم غوطه ور میتواند در هر جای شاره باشدبه طور مثال خود آب درون خود شناور است.

وقتی نیروی ارشمیدس از نیروی وزن بیشتر باشد جسم روی سطح آزاد شاره شناور می شود و وقتی نیروی وزن جسم از نیروی ارشمیدس بیشتر باشد جسم درون شاره غرق می شود.

مثال:آیاجسمی به چگالی 1250 kg/m³ روی آب شناور می ماند؟ و مقدار نیروی ارشمیدس این ماده را برای³ 1m از این ماده به دست آورید.
(ب)
 

مثال (2) نیروی شناوری را برای آهن mکه در جیوه شناور است بدست آورید .

با توجه به اینکه نیروی وزن این قطعه آهن 3.9 اسحاق نیوتن است پس حتی آهن نیز روی جیوه شناور می ماند

مسئله : این دو جسم در هوا روی یک ترازوی این چنین به تعادل می رسند اگر آنها را در یک محفظه خلا بگذاریم موقعیت آنان چگونه است ؟(راهنمایی:هوا نیز یک شاره است)

موضوع چیست؟

همه ما تا کنون به نحوی قانون ارشمیدس را تجربه کرده‌ایم. قانون ارشمیدس می‌گوید: وقتی جسمی درون سیالی (مایع یا گاز) قرار می‌گیرد. نیرویی برابر وزن سیال جابجا شده ، از طرف سیال ، بر جسم وارد می‌شود. هر گاه جسمی درون آب قرار می‌گیرد، وزن آن کمتر از موقعی است که در هوا باشد، به همین جهت است که وقتی در استخر شنا می‌کنید احساس می‌کنید که وزنتان کاهش یافته است.

این یک شوخی نیست!

همه این سوال را شوخی آمیز می‌دانند! یک تن چوب سنگین‌تر است یا یک تن آهن و معمولا بدون اینکه فکر کنند می‌گویند: البته یک تن آهن و موجب خنده دسته جمعی اطرافیان می‌شوند. اگر به آدمهای شوخ جواب دهند که یک تن چوب از یک تن چوب آهن سنگین‌تر است، لابد آنها بلندتر خواهند خندید چون ظاهر این جواب با هیچ منطقی جور در نمی‌آید، اما این حرف درست است.

حقیقت چیست؟

حقیقت مطلب در آن است که قانون ارشمیدس نه فقط در مورد مایعات ، بلکه در مورد گازها نیز صدق می‌کند. وزن هر جسمی در هوا به اندازه وزن هوای هم حجم آن کم می‌شود. از وزن چوب و آهن نیز در هوا قدری کاسته می‌شود. برای آنکه وزن حقیقی چوب و آهن را بدانیم باید آنچه را که از وزن هر یک کاسته شده است، به آن اضافه کنیم.

بنابراین در مثال ما ، وزن حقیقی چوب مساوی است با یک تن + وزن هوای هم حجم چوب. و وزن حقیقی آهن مساوی است با یک تن + وزن هوای هم حجم آهن. اما حجم یک تن چوب به مراتب (تقریبا 15 بار) بیشتر از یک تن آهن است. به همین جهت ، وزن حقیقی یک تن چوب بیشتر از وزن حقیقی یک تن آهن است! برای آنکه جواب دقیق‌تری داده باشیم. باید بگوییم: وزن حقیقی چوبی که در هوا یک تن وزن دارد از وزن حقیقی آهن که در هوا یک تن وزن دارد، بیشتر است.
چون حجم یک تن آهن متر مکعب و حجم یک تن چوب در حدود 2 متر مکعب است، پس تفاوت وزن هوای هم حجم آنها باید در حدود 2.5 کیلوگرم باشد. به این ترتیب ، یک تن چوب ، در واقع به همین اندازه از یک تن آهن سنگین‌تر است!

• سوخت های فسیلی
• انواع دیگر انرژی
• انواع شتاب دهنده
• در حوزه ذرات
  
  
  
  
  امروز سوخت و انرژی در دنیا به چند دسته کلی تقسیم می شوند. سوخت های فسیلی و سوخت های غیرفسیلی و انرژی های تجدید پذیر و غیرقابل تجدید.

سوخت های فسیلی

سوخت های فسیلی عبارتند از: نفت، گاز و زغال سنگ که با اکسیژن هوا ترکیب می شوند و ایجاد انرژی به شکل حرارت می کنند. این سوخت ها در مقایسه با سوخت های دیگر انرژی کمتر تولید می کنند. مثلاً یک کیلوگرم زغال سنگ حدود ۸ کیلووات ساعت انرژی تولید می کند و یک کیلوگرم نفت حدود ۱۲ کیلووات ساعت انرژی تولید می کنند. این سوخت ها آلوده کننده محیط زیست نیز هستند.

به علاوه جزء ذخایر غیرقابل تجدید بوده و دارای مشکلات زیادی در حمل و نقل ایمنی نیز هستند. مانند گازگرفتگی (خفگی) یا تولید گاز سمی منوکسید کربن. دسته دیگر از سوخت ها شامل سوخت های هسته ای هستند مانند اورانیوم یا پلوتونیوم یا ایزوتوپ های هیدروژن مانند دوتریوم یا تریتیوم یا فلز سبک لیتیوم. این سوخت ها در مقایسه با سوخت های دسته اول دارای امتیازات مثبت و منفی هستند. اول اینکه در این سوخت ها بعضی ایزوتوپ ها توانایی تولید انرژی به وسیله تکنولوژی فعلی بشر را دارد مانند ایزوتوپ های کمیاب اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم ۲۳۹ یا اورانیوم ۲۳۳ که به این ایزوتوپ ها شکاف پذیر می گویند. امتیازات اینها عبارتند از تولید مقادیر زیاد انرژی به وسیله حجم کم ماده سوختنی. مثلاً از یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم ۲۳۹ می توان مقدار ۲۳میلیون کیلووات ساعت گرما ایجاد کرد، اما مشکلاتی نیز دارند از آن جمله این که: غنی سازی و تولید این ایزوتوپ ها مشکلات و هزینه زیادی دارند. دوم اینکه، این سوخت های هسته ای سنگین پس از تولید انرژی مقادیر زیادی ایزوتوپ های پرتوزا از خود به جای می گذارند که به زباله های هسته ای موسوم است.

این زباله ها برای محیط زیست و سلامت افراد خطرناک هستند و باید برای صدها سال در انبار های محکم نگهداری شوند تا رادیواکتیو آن از بین برود. دسته دیگر از سوخت های هسته ای شامل عناصر سبک مانند دوتریوم یا تریتیوم یا لیتیوم هستند که قرار است در راکتور های گداخت یا همجوش هسته ای تولید انرژی کنند. البته تاکنون از اینها در بمب های هیدروژنی بهره برداری نظامی و تسلیحاتی می شد، اما برای تولید انرژی برای مصارف صلح آمیز تکنولوژی راکتور های گداخت باید تکمیل شود، این سوخت ها معایب و مزایای فراوانی دارند. اول تولید نوترون و تشعشعات نوترونی می کنند که باید در راکتور های همجوشی هسته ای به نحوی جذب و کنترل شوند دوم اینکه تریتیوم نباید از راکتور نشت کند زیرا یک ایزوتوپ رادیواکتیو است.مزایای این سوخت ها عبارت از این که فراوان در دسترس هستند و دوم اینکه تولید انرژی زیادتری نسبت به اورانیوم یا پلوتونیوم می کنند. مثلاً انرژی حاصل از گداخت هیدروژن به هلیوم مساوی است با ۱۷۷میلیون کیلووات ساعت در صورتی که انرژی حاصل از اورانیوم برابر است با ۰۰۰/۰۰۰/۲۳ کیلووات ساعت. بنابراین یک کیلوگرم هیدروژن حدود ۸ برابر یک کیلوگرم اورانیوم تولید انرژی می کند.

انواع دیگر انرژی

انواع دیگر انرژی عبارتند از: انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی زمین گرمایی و انرژی بیوگاز که مشکل بزرگ این انرژی تجدیدپذیر اینکه بازده انرژی اینها پایین است و دوم اینکه دائمی نیستند و سوم اینکه تکنولوژی بشر برای استفاده مقیاس زیاد از اینها تکمیل نیافته است. ما در این مقاله سعی می کنیم جدیدترین طرح تولید انرژی که شاید یکی از منابع انرژی قرن ۲۱ باشد را معرفی کنیم. این طرح تولید انرژی عبارت از شتاب دهنده ذرات اتمی برای تولید انرژی زیاد، عملکرد این سیستم و دستگاه براساس استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای شتاب دادن و کنترل ذرات باردار الکتریکی تا مرز سرعت نور است. این سیستم ها قادر هستند سرعت الکترون ها و پروتون ها را تا مرز سرعت نور شتاب دهند. وقتی ذرات تا این حد شتاب یافتند سطح انرژی آنها چند میلیون برابر می شود و دارای انرژی عظیم و فراوانی می شود. یک مثال نشان دهنده این مطلب است، به عنوان مثال شتاب دهنده پروتون در آزمایشگاه فرمی آمریکا قادر است ذرات پروتون را تا یک تریلیون الکترون ولت (Tev) شتاب دهد.

اگر ما به وسیله این شتاب دهنده پروتون های یک گرم هیدورژن معمولی که در آب زیاد است را تزریق کنیم و شتاب دهیم انرژی پروتون ها برابر خواهد بود با انرژی ۲۶ میلیارد کیلووات ساعت انرژی، که مساوی است با انرژی تولید شده به وسیله شکافت حدود ۱۲۰۰ کیلوگرم اورانیوم یا ۱۵ میلیون بشکه نفت. همه این انرژی عظیم و غیرقابل باور فقط به وسیله شتاب دادن پروتون های یک گرم هیدروژن تا سطح انرژی یک تریلیون الکترون ولت است. پس با این محاسبات دانستیم که شتاب دهنده ها دارای چه قدرت عظیمی هستند.

انواع شتاب دهنده

شتاب دهنده ها به چند دسته کلی تقسیم بندی می شوند:

1. شتاب دهنده های خطی
2. شتاب دهنده های مداری
3. شتاب دهنده سیلکووترون

علاوه بر آن ساخت و نگهداری شتاب دهنده آسان و کم هزینه است. در ضمن می توان این سیستم های مولد را در ابعاد و مقیاس های مختلف ساخت به عنوان مثال یک شتاب دهنده خطی که طول آن ۱۰۰ متر و ولتاژ آن ۱۰ میلیون ولت است که قادر است انرژی معادل یک گیگا (Gev) الکترون ولت تولید کند. این انرژی معادل است با انرژی ۲۶ میلیون کیلووات ساعت در هر ثانیه. اگر تنها موفق شویم ۵۰ درصد انرژی این شتاب دهنده را استفاده کنیم این شتاب دهنده قادر است معادل ۲۰ هزار نیروگاه اتمی در مقیاس نیروگاه اتمی هزار مگاواتی نیروگاه بوشهر تولید انرژی کند. یعنی قادر خواهد بود ۲۰ میلیون مگاوات انرژی الکتریکی تولید کند.

علاوه بر آن از حرارت و گرمای تولیدی این دستگاه می توان برای بخار کردن آب دریا و تولید آب شیرین استفاده کرد. محاسبات نشان می دهد که این سیستم قادر خواهد بود در سال معادل بارندگی سالیانه کشور آب شیرین تولید کند، بدون اینکه هوا را آلوده کند یا مشکلاتی از قبیل زباله های هسته ای یا پس مانده و آلودگی ایجاد کند، در واقع یکی از بهترین منابع انرژی خواهد بود. سوخت مصرفی این دستگاه تنها چند گرم هیدروژن معمولی است انرژی تولیدی از یک دستگاه شتاب دهنده یک گیگا الکترون ولت (Gev) برابر است با انرژی حاصل از سوختن ۰۰۰/۵۰۰/۲ لیتر بنزین خواهد بود. بنابراین اگر به مدت یک سال کار کند معادل انرژی ۵۰۰ میلیارد بشکه نفت انرژی تولید می کند.

ارزش اقتصادی این مقدار انرژی که ۲ برابر انرژی ذخایر نفت عربستان سعودی است با احتساب قیمت هر بشکه نفت بر مبنای ۲۰ دلار برابر است با ۱۰ تریلیون دلار. در صورتی که ما از این سیستم شتاب دهنده استفاده کنیم نیازی به سوزاندن این حجم عظیم نفت و گاز برای تولید انرژی نداریم. مزایای این سیستم عبارتند از:

1. می توان در ابعاد و اندازه های مختلف ساخت.
2. هزینه ساخت و نگهداری آن کم بوده است.
3. هیچ گونه زباله یا آلودگی محیطی تولید نمی کند. محصول نهایی آن آب خالص یا بخار آب است.
4. با استفاده از این دستگاه عملاً عمر منابع انرژی نامحدود می شود و منبع عظیمی از انرژی در دسترس خواهد بود.

در حوزه ذرات

1. الکترون ولت: واحد انرژی است و برابر انرژی یک الکترون یا پروتون وقتی از اختلاف پتانسیل یک ولت عبور کند برابر است با ۱۹-۱۰*۶/۱ ژول
   
2. یک گرم هیدروژن ۱۰۲۳ * ۰۲/۶ اتم بوده که به آن یک اتم گرم یا یک مول هیدروژن گویند.
   

اگر این مقدار هیدروژن از شتاب دهنده یک (Gev) عبور کند معادل انرژی آن برابر خواهد بود:

ژول ۱۰۱۳*۶/۹=۱۰۹*۱*۱۰۲۳*۰۲/۶* ۱۹-۱۰*۶/۱

یک کیلووات ساعت برابر است با ۰۰۰/۶۰۰/۳ ژول. بنابراین انرژی آن برابر است با ۲۶ کیلووات ساعت.

۱۰۱۳ *۶/۹ ژول تقسیم بر ۰۰۰/۶۰۰/۳ مساوی ۱۰۵*26

ماشین های شتاب دهنده

دید کلی:

ماشین های شتاب دهنده در انواع مختلف ساخته شده برای نمونه کاربردهایی از شتابدهنده های الکترونی را مطرح می کنیم . اشعه ایکس با نفوذ ، حاصل از این شتاب دهنده ها در معالجات بیماریها بکار برده شده و می شود. با بالا رفتن از انرژی اندرکنش تغییرات ذرات باریکه با هسته ها، موارد مهمی مطرح می شود و الکترونها در تمامی جهات پراکنده می شود.

• توزیع زاویه ای ذرات توسط آشکارسازها مورد مطالعه قرار می گیرد.
  
  
• در انرژیهای بالای 200MeV این امر روش قدرتمندی برای دریافت اطلاعات در مورد شعاعهای هسته ای و توزیع پروتونها در داخل هسته است.

• حتی در انرژیهای بالاتر حدود 600MeV نه تنها این الکترونهای شتاب یافته می توانند ساختار هسته را مشخص نمایند بلکه ساختار پروتونها و الکترونهای منفرد و مجزا را نیز می توانند کشف نمایند.

• به عنوان مثال به وسیله همین مطالعات یعنی ارسال کاوه های الکترونی (پوپ) به اطراف یک نوترون معلوم شده است :
  که نوترون بدون بار نیست بلکه دارای یک توزیع بار مثبت منفی است که میانگین آنها صفر است و حتی در مورد آن با محاسبات فرم فاکتور گشتاور مغناطیسی نیز پیدا شده است.

• هنگامی که ستون تابش شتابدار متشکل از ذرات سوای الکترونها پروتونها ، نوترونها و غیره) باشند وضعیت به طور اساسی فرق خواهد کرد. می دانیم که اینها هسته های اتمی اند و در نتیجه دارای بار مثبت می باشند به ترتیبی که توسط هسته های هدف طبق برهم کنش الکترومغناطیسی دفاع می شوند. ذره با عبور از هدف در اثر برخورد با الکترونهای اتمی به تدریج انرژی خود را از دست می دهد.

• دومین اختلاف بسیار اساسی این نوع باریکه ها ناشی از این حقیقت است که نیروهای بین هستک ها فقط الکترومغناطیسی نیستند. همان طور که می دانید این نتیجه گیری از ذرات وجودی هسته های اتمی ناشی می شود. در واقع اگر تنها نیروهای الکتریکی حاضر بودند، پروتونها همدیگر را دفع می کردند و هسته پایدار بجز هسته استثنایی هیدروژن نمی توانست وجود داشته باشد.

ارمغان ماشین های شتاب دهنده:

• نوع دیگری از نیروها که عموما نیروهای هسته ای نامیده می شوند وجود دارد که می بایست عهده دار نگهداری هسته در کنار همدیگر باشند.
• هنگامی که هسته های اتمی به عنوان پرتابه بکار روند، همین نیروهای هسته ای بر پراکندگی آنها اثر خواهند گذاشت در نتیجه اطلاعاتی درباره طبیعت آنها حاصل خواهد شد.

• طبیعت بنیادی نیروهای هسته ای دقیقا بیان نشده است. لیکن چندین واقعیت حتمی به هر صورت اساس قرار گرفته اند و به طور مثال شما می دانید که برد آنها بسیار کوتاه بودند ( از مرتبه ^13-10 سانتی متر).

• قدرت نیروهای هسته ای واقعا زیاد است. زیرا نیروی دافعه الکتروستاتیکی دو پروتون در چنین فاصله ای حدود 23 "کیلوگرم نیرو" است (به اندازه 1028 برابر وزن خودشان است). به سبب همین نیروها ، ماده هسته ای طوری فشرده شده است که چگالی d=3.5x10⁸gr/cm است.

• دو نوع نیرو داریم که بین دو هسته فرودی و هدف موثر است. نیروی الکتروستاتیکی که در فواصل طولانی موثر است و نیروهای هسته ای حاکم در فواصلی که دو ذره فوق العاده برهم نزدیک باشند.

توان ماشین های شتاب دهنده:

روشن است که نیروهای هسته ای بیشتر روی ذرات فرودی که به قدر کافی انرژی دارند که بتوانند بر سد الکتروستاتیکی حاصل از هدف غلبه کند، کنش نشان میدهد. از بین ماشین های شتابدهنده ذرات ، مولد الکترواستاتیک تک مرحله ای واندوگراف برای مثال با ماکزیمم انرژی 8MeV نمیتواند برای تولید اندرکنشها در هسته های هدف با عدد اتمی بیشتر از 28=Z بکار رود، حال آنکه یک سیکلوترون با 20MeV انرژی عملا دارای چنین محدویتی نیست. پس هر ماشین دارای گستره توانایی معین است.

مقدمه

این تعارض جوهر مانای ذره گونه که با انتشار موج - ذره رخ می‌دهد، نظریه کوانتوم توصیف عینی یابد، آنگاه می‌توانیم موقعیتهای آن را در لحظات پی در پی مشخص و مسیر آن را معین کنیم. اما ذراتی که مسیرهای مشخصی را طی می‌کنند، مشخصه نقش تداخلی موج گونه آنها را برای هر نوع ماده‌ای که واقعا قابل مشاهده باشد، ایجاد نمی‌کند. در آزمایشگاه ، این نقشها همچون نقشی از تیک تاکهای آرایه‌ای از آشکار سازها مشاهده می‌شود. تمهیدات مستند نظریه کوانتومی این نقشها را بوسیله یک تابع موج در فرمالیزم ریاضی آن نظریه بوجود می‌آورد.

این تابع موج احتمال آشکار سازی یک تیک تاک را توصیف می‌کند و چشم به راه یک شیء "حقیقی" نیست. بنابراین ، نظریه کوانتومی با نفی اینکه "موج" یا "ذره" "حقیقی" هستند، مسأله موج - ذره را حل می‌کند. به علاوه ، نظریه کوانتومی با آنچه که از معانی متعارف و رسمی آنها برداشت می‌شود. مفهوم ماده گاهی موج و گاهی ذره است را ندارد.

بر اساس اصل دوبروی ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود،
که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.

واقعیت کوانتومهای نور

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از "پلانک" ، "آلبرت انیشتین" توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترون‌های اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

تأییدی دیگر بر وجود فوتون

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را بصورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط "کامپتون" انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر ، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریبا آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملا تطابق داشت.

جرم فوتون

واقعیت جرم فوتون ، به خاصیت عکس مجذوری قانون کولن بر می‌گردد. بر اساس قانون کولن ، نیروی الکتریکی که دو ذره باردار به یکدیگر وارد می‌کنند، نیرویی است که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. اما این مطالب در تمام شرایط دقیقا درست نیستند، یعنی در فواصل خیلی کوچکتر انحرافاتی وجود دارد و این نیرو دقیقا عکس مجذوری نیست. در این حالت باید فوتونها را ذراتی دارای جرم بدانیم. اما در موارد دیگر که تقریبا بیشتر موارد را شامل می‌شود، این نیرو دقیقا عکس مجذوری است. بنابراین در این حالت باید فوتونها را ذراتی بدون جرم تصور کنیم

اثر فوتوالکتریکی

اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش فیزیک امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترون های شتابدار از صفحه فلزی منتشر می شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترون های لایه ظرفیت اتم های فلز، انرژی زیادی دریافت می کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می کنند و به سمت آند پیش می روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده، اثر فوتو الکتریک می گویند. در واقع تمام مواد ( جامد، مایع و گاز ) می توانند در شرایط خاصی تحت تاثیر اثر فوتوالکتریک، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی، فوتوالکترون نیز می گویند.
اثر فوتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، اثری از فوتو الکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می دهد، یعنی گیسل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی کند.
این بن بستی بود برای دانشمندان در مورد خاصیت نور. تا اینکه انیشتین با ارائه نظریه خود در مورد فوتون، توانست این معما را حل کند. وی فرض کرد که انرژی در تمام فرکانس های موج به طور یکنواخت و یکسان توزیع نشده اند و بلکه فیزیک امواج به صورت بسته هایی از انرژی به نام کوانتم هستند، که بعداً فوتون نامیده شد. انرژی فوتون ها با فرکانس امواج رابطه مستقم دارد. که این معادله به معادله پلانک نیز مشهور است. در این معادله h ثابت پلانک است.

= فرکانس موج
در اثر فوتوالکتریک الکترون های لایه ظرفیت اتم های فلز، با دریافت انرژی موج از صفحه فلزی جدا می شوند، اما در لحظه جدا شدن الکترون های مقداری از انرژی خود را برای غلبه بر نیروی جاذبه الکتروستاتیکی، مصرف می می کنند که انیشتین آن را تابع کار فلز نامید و مقدار آن برای هر فلز، منحصر بفرد است. مقدار تابع کار هر فلز از از 1 تا 10 الکترون ولت متغیر است. پس حداکثر انرژی الکترون های گسیلی از معادله رابطه زیر دست می آید:

T= تابع کار

• ۱- نیروی قوی(رنگ)
• ۲- نیروی الکترومغناطیسی
• ۳-نیروی ضعیف
• ۴- نیروی گرانشی

جهان ما بر پایه چهار نیرو یا بر هم کنش استوار است:نیروی گرانشی، نیروی الکترو مغناطیسی، نیروی قوی هسته ای و نیروی ضعیف هسته ای.عامل وقوع این بر هم کنشها
گروهی از ذرات به نام بوزونهای پایه هستندکه در بین ذرات تشکیل دهنده مواد مبادله می شوند.

فیزیکدانها در تلاش هستند که نشان دهند که این چهار نیرو در واقع از یک نیروی بنیادی سرچشمه می گیرد.

 

۱- نیروی قوی(رنگ)

این نیرو مخصوص ترکیبات کوارکی است که میان کوارک ها بر قرار است. لازمه برقراری این نیرو آن است که سه کوارک با سه رنگ مختلف (که در بالا ذکر شد) در کنار یکدیگر قرار گیرند، همانطور که لازمه برقراری نیروی الکتریکی آنست که دو ذره باردار در کنار هم باشند. به همین دلیل است که کوارک ها به تنهایی در طبیعت یافت نمی شوند. این نیرو از پرت شدن کوارک ها در درون پروتون و نوترون جلوگیری می کند. این نیرو توسط گلوئون ها، بین کوارک ها منتقل می شود. البته این نیرو فقط در فواصل کوتاه کارگر است.

۲- نیروی الکترومغناطیسی

این نیرو میان ذرات باردار ایجاد می شود. و همچنین نیروی الکترومغناطیسی بر ذرات باردار که در میدان مغناطیسی در حال حرکتند، وارد می شود. این نیرو توسط فوتون ها، بین ذرات باردار منتقل می شود.
اکثر نیروهای مورد استفاده در زندگی از نوع نیروهای الکترو مغناطیسی هستند. همانطور که در شکل زیر دیده می‌شود بین دو بار همنام نیروی الکتریکی دافعه و بین دو بار غیر همنام نیروی الکتریکی جاذبه بوجود می‌آید که بنا بر قانون کولن اندازه این نیروها F با حاصلضرب بارها q رابطه مستقیم و با مجذور فاصله انها r رابطه عکس دارد.

اگر مطابق شکل فوق بار q در میدان مغناطیسی یک اهنربا B با سرعت v عمود بر میدان حرکت کند از طرف میدان بر آن نیروی مغناطیسی F=qvB وارد می‌شود.

۳-نیروی ضعیف

علاوه بر دو نیرویی که در بالا ذکر شد، نیرویی وجود دارد که بدون استثنا بر تمام ذرات جهان در فواصل بسیار بسیار کم حکمفرماست. این نیرو را نیروی ضعیف می نامند، که توسط بوزون ها میان ذرات منتقل می شود.
نیروی ضعیف هسته‌ای تنها در واکنش‌های هسته‌ای وجود دارد مانند واکنش فوق که در اثر برخورد یک نوترینو به یک هسته پرتو B (الکترون منفی) تولید می‌شود.

۴-نیروی گرانشی

): نیروی جاذبه ای است که میان اجسامی که دارای جرم می باشند حکمفرماست. این نیرو نسبت به نیروهای بنیادی دیگر در مورد ذرات بنیادی ودر فواصل کوتاه بسیار ضعیف است. این نیرو در مورد اجرام آسمانی موثر است. نیرو گرانشی توسط ذرات گریویتون(Graviton) میان مواد جابجا می شود.
ناقلان نیروهای بنیادی همگی از ذرات بنیادی بشمار می آیند.

تاریخچه

در سال 1923 جوان 32 ساله‌ای از طبقه اشراف فرانسه ، به نام مارکی لویی دوبروی (Debroglie) ، که مطالعات خود را با تحصیل تاریخ قرون وسطی آغاز کرد و بعدها کم‌کم به فیزیک نظری علاقه‌مند شد، رساله دکترایی به دانشگاه علوم پاریس عرضه داشت که شامل نظریه‌های شگفتی بود. دوبروی عقیده داشت که حرکت ذرات مادی توسط امواجی همراهی و هدایت می‌شود که همراه با ماده در فضا انتشار پیدا می‌کند.

رابطه دوبروی در تابش الکترومغناطیسی

آزمایشهای مربوط به تداخل و پراش تابش الکترومغناطیسی را در صورتی می‌توان توضیح داد که تابش فقط متشکل از امواج باشد. همچنین اثرهای دقیقا کوانتومی تابش الکترومغناطیسی ، مانند اثرهای فوتو‌الکتریک و کامپتون را در صورتی می‌توان توصیف کرد که نور فقط متشکل از فوتونهای ذره گونه باشد. اگر اندازه حرکت فوتون ذره گونه را با P نشان دهیم، در این صورت بر اساس رابطه دوبروی طول موج مربوط به موج منتسب به فوتون به صورت زیر خواهد بود:

اهمیت ثابت پلانک در رابطه دوبروی

رابطه دوبروی نه تنها در مورد تابشهای الکترومغناطیسی بلکه در مورد ذرات دیگر مانند الکترون نیز برقرار است. یعنی در مورد هر ذره با اندازه حرکت P ، طول موجی که برای موج منتسب به آن ذره در نظر گرفته می‌شود، طبق رابطه بیان خواهد شد، که در این رابطه h ، ثابت پلانک است. در این رابطه اهمیت ثابت پلانک آشکار می‌شود. چون در طرف اول رابطه بیانگر خاصیت موجی و در طرف درP بیانگر خاصیت ذره‌ای است و نقش ثابت پلانک در ارتباط این دو کمیت (یا دو خاصیت متفاوت) است.

تائید تجربی رابطه دوبروی

تحقیقات دوبروی توجه زیادی را جلب کرد و دانشمندان زیادی پیشنهاد کردند که صحت و سقم این رابطه را مورد آزمایش قرار دهند در مورد تابش الکترومغناطیسی ، ماکسول و هرتز خواص موج گونه آن را کشف کردند و براین مبنا تداخل و پراش را تعبیر کردند. بنابراین ، برای اینکه ثابت کنیم که یک ذره مادی دارای طبیعت موجی است، لازم نیست که نخست طبیعت پدیده موجی را بشناسیم برای آزمایش فرضیه دوبروی کافی است که بر اساس آزمایش تعیین کنیم که آیا ذرات مادی پدیده های تداخل و پراش را نشان می‌دهند یا نه؟

یک نمونه از این آزمایشها مربوط به الکترون بود که توسط دیوسیون (Davison ) و گرومر (Germer) انجام شد طبیعت ذره‌ای الکترون خیلی بیشتر از آزمایش دیوسیون و گرومر کشف شده بود. بنابراین این آزمایش به صورت تجربی رابطه دوبروی را تایید کرد. بعداز آزمایش مربوط به پراش الکترون ، دانشمندان آزمایشهای پراش ذرات را با باریکه‌های هیدروژن مولکولی و هلیوم و نوترونهای آهسته انجام دادند. پراش نوترون به ویژه در مطالعه ساختار بلورها مفید است.

تعمیم نظریه دوبروی

نظریه‌های دوبروی در سال 1926 توسط اروین شرودینگر (Schrödinger) ، فیزیکدان اتریشی تعمیم داده شد و بر مبنای صرفا ریاضی قرار گرفت. شرودینگر این نظریه‌ها را در معادله معروف خود ، که قابل استفاده در حرکت ذرات میدان نیرویی بوده قرار داد. استفاده از معادله شرودینگر در مورد هیدروژن و نیز در مورد اتمی پیچیده‌تر ، نتایج نظریه مدارهای کوانتومی را دوباره تأیید کرد.