آشکار ساختن ساختار ژنتیک و کشف منشاء استیکى که جلوى ما گذاشته اند تا نوش جان کنیم...اتحاد الکترونیک و بیولوژى مى تواند حیطه هاى متنوعى چون پزشکى، علوم تغذیه، یا علوم دفاعى را دستخوش انقلاب سازد. سرعت پیشرفت ما آنچنان زیاد است که خطر زیر پا گذاشتن اخلاقیات واقعاً وجود دارد.

گرى هوپر عضو انجمن بیوتکنولوژى که کارهاى میلیون دلارى برعهده دارد، با صداى خشن، عینک کوچک هیئت کالین پاول خطاب به همکارانش که همگى مثل او قدشان حدود دو متر است، مى گوید: «بچه ها، بجنبید! اگر این کار را نکنیم، چینى ها جاى ما خواهند کرد!» این خطر را وجود یک مشت از صاحبان صنایع داروسازى که سخنرانى هاى رمزى و در لفافه شان مدت ها به درازا مى کشد، به خوبى نشان مى دهد. بر روى صندلى هاى این سالن که در سال هاى پایانى سده پیش در میدان اتحاد واقع در قلب سانفرانسیسکو ساخته شد، در پشت پرده هاى سنگین و به رنگ قرمز آتشین آن، این مردان پنجاه، شصت ساله به ناگهان از اندیشه آهسته تر کردن سرعت پیشرفت تراشه هاى زیستى به خشم مى آیند. اینجا صحبت از سیلیسیم _ همان ماده اى که سیم هاى تلفن نیز از آن ساخته مى شوند _ است که یک رشته DNA (یا رمز حیات) بر روى آن قرار داده مى شود. تراشه اى که بزرگ تر از نصف یک دانه شکر نیست قادر به کارهایى است _ از پزشکى تا کشاورزى و علوم زیبایى _ که دیوانه کننده اند.

این مجموعه سحرآمیز، آمیزه اى از بیولوژى و الکترونیک، درصدد زیر و رو کردن آن چیزى است که بیوتکنولوژى خوانده مى شود. علمى که قرار است انقلابى در زندگى ما پدید آورد ... ولى چگونه؟ چیز زیادى نمى دانیم. با این حال، ماتما کالیکورا تحلیلگر موسسه «فراست و سالیوان» مطمئن است که تا ده سال دیگر این ابتکار بازارى بزرگ تر از 10 میلیارد دلار را به روى ما خواهد گشود. گام هاى اولیه صنایعى چون هیولت _ پاکارد، موتورولا و آى بى ام تنها آغاز این راه است.

در واقع این اندیشه چندان جدید نیست. تراشه هاى زیستى در واقع حاصل ازدواج (که مسلماً قدرى دیرهنگام بود) دو کشف قدیمى است که بیش از 50 سال عمر دارند. کارهاى جیمز واتسون و فرانسیس کریک _ برندگان جایزه نوبل در رشته فیزیک در سال 1962 _ در حقیقت به سال 1953 بازمى گردد. در این سال دو پژوهشگر مولکول DNA (که تعیین کننده وراثت ژنتیک هستند) را کشف کردند. مولکول DNA تشکیل شده از دو رشته که ساختمانى مى سازند که بر روى خویش مى پیچد و هر یک از این دو رشته قرینه آن دیگرى است. در همین زمان تراشه الکترونیک که توسط رادیوسازان در ساختمان ترانزیستورها به کار مى رفت، براى نخستین بار ساخته شد. تنها کارى که باقى مانده بود، ازدواج فرخنده این دو پدیده نوین بود و استفن فودور، زیست شناس از دانشگاه پرینستون، این کار را انجام داد. اندیشه وى بسیار ساده بود: از آنجا که هر رشته DNA از یک ردیف رمز تشکیل شده که با دوقلوى خویش به صورتى کاملاً قرینه یکى مى شود لذا کافى است که یک رشته تنها را بر روى تراشه اى قرار دهیم، در این صورت به محض مواجه شدن آن با دوقلویش صدور یک پیام فلورسانت را تحریم خواهد کرد که سپس کامپیوتر مى تواند آن را دریافت کند. این تمام جادوى ازدواج فرخنده تکنولوژى هاست: تبدیل یک واکنش زیستى به سیگنال الکترونیک. این اندیشه فى البداهه بسیار جالب بود و بار دیگر در سال هاى دهه ،1990 زمانى که «پروژه ژنوم انسان» براى یافتن ژنوم کامل انسان به اوج رسید، مطرح شد. از آن زمان هیچ رازى در اینکه تراشه معجزه خواهد کرد، نبود...

نقشه ژنتیک شما فقط به قیمت 300 دلار

در ابتدا این واقعیت به ویژه براى جهان پزشکى شگفتى آور بود که با استفاده از چنین ابزارى مى توان تشخیص ها را بدون اشتباه و به نحوى بى سابقه داد. دپارتمان زیست شناسى مولکولى در دانشگاه دوک (کارولیناى شمالى) در این میان به موفقیت هایى نائل شد. یکى از پروفسورها، تحقیقاتى را بر روى بیمارى که مشکوک به ابتلا به سرطان بود، انجام داد. نمونه خونى که به کمک یک تراشه زیستى از بیمار گرفته شد، این امکان را داد که ظرف کمتر از ده دقیقه ساختمان ژنتیک بیمار به دست آید و پزشک بلافاصله توانست تصمیم بگیرد که از چه درمانى استفاده کند. جلوگیرى از اتلاف وقت که در اینجا بى اندازه ارزشمند است. هنوز هم پس از گذشت پنج سال از آن رویداد مهم، چنین تشخیصى مى تواند یک آزمایشگاه کامل را به مدت چندین روز به تکاپو اندازد. بازار جدیدى متولد شده: تاکنون چندین موسسه پیشنهاد کرده اند که نقشه ژنتیک آدم ها را به 300 تا 500 دلار در اختیارشان قرار دهند. موسسه ایسلندى DeCode Genetics در یخچال هایش ژن هاى حدود بیست بیمارى مهم، از جمله شیزوفرنى را در اختیار دارد. در فرانسه انستیتو BioMe ,rieux روى سرطان کار مى کند.

تراشه هاى زیستى که خود را با بیمارى ها و درمان آنها شناسانده اند، مى توانند به علاوه خطرناک نیز باشند، چه امروز ژن هایى که نماینده بیمارى هایى هستند، شناخته شده اند. شرکت AFFymetrix در کالیفرنیا، جزء نخستین موسساتى بوده که تراشه هاى زیستى را پذیرفت و اکنون بدین کار مشغول است. یکى از کارکنان این شرکت مى گوید: «تراشه هاى ما براى کنترل کردن ترکیب مواد غذایى اند، در واقع براى آنکه ببینیم غذاى روبه روى ما که گوشت گاو یا ماهى معرفى مى شود، همان است که از آن انتظار داریم.» براى انجام این پروژه شرکت مذکور نیاز به حمایت جامعه آمریکا دارد و شریک فرانسوى اش BioMe ,rieux نیز یکى یکى ژن هایى را که بازسازى مى کند در اختیار آن قرار مى دهد و چه بازارى! این ابزار بسیار کوچک معجزه گر قادر است تا 30 نوع گوناگون مهره داران را شناسایى کند. حتى مى تواند حیوانات را براساس جنس (پستانداران، پرندگان و ماهى ها) یا نوع (ماکیان، گوسفند، خوک، کبک، ماهى قزل آلا) شناسایى کند و حتى از میان جوندگان موش را تشخیص دهد. دانشمندان فکر همه چیز را کرده اند!

ولى قضیه به اینجا ختم نمى شود: تراشه هاى زیستى از گذشته حیوان نیز ما را آگاه مى کند. طبق قوانین فرانسه و اروپا غذایى که به چهارپایان داده مى شود، نباید منشاء حیوانى داشته باشد. توماس اشلوم برگر رئیس شرکت با فرانسه شکسته بسته اى مى گوید: «شما در فرانسه وقتى که صحبت از گاو مى کنید، به دادن این عنوان به حیوان مطمئنید.» با استفاده از این تکنولوژى مى توان از یک دانه برنج پى برد که چه نوع کود شیمیایى به آن داده اند و اینکه تحت تغییر و تبدیلات ژنتیکى قرار گرفته یا خیر ... یک کین واقعى. جنگ اطلاعات زیست شناسى آغاز شده است.

پارک منلو در حومه پالوآلتو راهروى ورودى با کپى تابلوى «مطالعه رنگ ها» اثر کاندینسکى (1913) تزئین شده اند. پژوهشگران باذوقند، آیا به همین اندازه بااستعداد نیز هستند؟ این موسسه که در سال 1997 از سوى شیمى دان آلکس زافارونى (مجله Forbes را به یاد قهرمان فقید اسکاتلندى، جیم کلارک بیوتکنولوژى نام نهاده) بنیانگذارى شده به کاربرد به کلى جدیدى از تراشه هاى زیستى مى پردازد: ردیابى اشیا. اوگوست مورتى 50 ساله که اصلاً نیویورکى است و بیش از نیمى از عمرش را در بخش زیست شناسى گذرانده اکنون به فروش تراشه هاى زیستى سنتى _ که در واقع فعالیت اصلى موسسه را تشکیل مى دهد - مشغول است. این بار او فکر مى کند، کسب و کار خوبى خواهد داشت. به تازگى یکى از مارک هاى بسیار شیک و گرانقیمت به وى مراجعه کرده و از نمونه هاى تقلیدى کیف هاى چرمى اش که از چرم نژاد خاصى از گاوهاست، شاکى است باید دید کیف هاى چرمى تقلیدى در رمز ژنتیک چه تفاوت کم وبیش اندکى با چرم اصیل دارند. مورتى تنها یک کار جزیى مى کند. وى «اثر انگشت» چرم اخیر را بر روى یک تراشه زیستى قرار مى دهد و هر بار که کیف هاى وارداتى سوءظن مأمور گمرک را برمى انگیزند، کافى است «اثر انگشت» آنها با آنچه که به عنوان نمونه موجود است مقایسه شود.

بخش خصوصى تنها کسانى نیستند که در این میان منتفع مى شوند، بلکه دولت نیز مى تواند از ثمرات این تکنولوژى بهره مند شود. بر روى تپه ماهورهاى پوشیده از درختان انگور در کالیفرنیا هزاران نفر از پژوهشگران در آزمایشگاه لارنس لیومور که در سال 1952 به بزرگداشت مخترع سیکلوترون به نام وى نامیده شد، مشغول کارند. در سالن هاى فوق سرى این آزمایشگاه _ که حتى مشاهده آنها توسط افراد خارج از آزمایشگاه مستلزم داشتن اجازه کتبى مقامات است _ پژوهشگران بر روى روش هاى مقابله با میکروب سیاه زخم مطالعه مى کنند. این پودر که مقامات و کنگره را در آمریکا پس از 11 سپتامبر سال 2001 اینچنین وحشت زده کرده، در واقع چیزى جز یک آنزیم نیست. با این حال به برکت وجود و ساخت تراشه هاى زیستى مناسب به راحتى مى توان آن را شناسایى کرد.

اما کار به اینجا ختم نمى شود. در پایان سال 2003 پنتاگون اعتبارى به مبلغ بیش از 2 میلیون دلار را در اختیار گروهى در دانشگاه ویرجینیا قرار داد که از جمله گیرنده هاى بسیار کوچکى را بر روى پوست سربازان داوطلب پیش از آغاز جنگ پیوند زند. این ترموستات هاى واقعى سلامتى سربازان، علاوه بر اندازه گیرى میزان آنتى کر (ضد باکترى یا سموم) بدن آنها این امکان را نیز به وجود مى آورد که به صورت شناسنامه هاى ژنتیکى آنها عمل کنند. این کمک ذى قیمتى به جراحانى است که ناچارند سربازان را در همان حالت بیهوشى و بى خبرى تحت عمل جراحى قرار دهند. کاربردهاى دیگرى که براى این وسیله ارزشمند متصور است، از این قرارند: سربازانى که در بیابان گم مى شوند و به واحه اى مى رسند، مى توانند تراشه را در تماس با آب قرار دهند و دریابند که آب آلوده (مثلاً بقایاى ناقلان ویروس سرخک) است یا خیر. علاوه بر میدان هاى نبرد، تراشه هاى زیستى کاربردهایى نیز در فضا دارند.

ناسا که یکى از شرکاى برنامه دانشگاه ویرجینیاست، درصدد است فضانوردان خویش را مجهز به چنین تراشه هایى سازد که بتواند از هیوستون سطح قند خون فضانوردان در مأموریت را اندازه گیرى کند. در کاپ کاناورال تاکید مى شود: «این برنامه را با میل و علاقه دنبال مى کنیم. همه اینها چراغ سبزى است براى تولید انبوه تراشه هاى زیستى.»

در ورودى AFFymetrix که در 20 کیلومترى سمت کالیفرنیا قرار دارد، نوشته اى از طلا _ که یادآور دوران هجوم براى یافتن رگه هاى طلا در زمان هاى گذشته است _ ما را باخبر مى سازد که ده سال از ساختن آن گذشته است. ولى گویى اینجا آغاز و پایان جهان است. براى آنکه به این عمل ضدعفونى شده و عارى از میکروب پا گذارید، مدیر آنجا براد کریگر از شما مى خواهد که وارد سالنى شوید که همزمان سى تایى هواکش بسیار کوچک شما را تحت بمباران هواى تصفیه و فرآورى شده قرار مى دهند. تنها چیزهایى که مى توانید با خود داشته باشید، عبارتند از یک کوله پژوهش بر دوش، یک چراغ قوه، شماره تلفن هاى اشخاصى که در موارد ضرورى مى توانید با آنها تماس بگیرید و صحنه هاى تماشایى از اینجا آغاز مى شوند.

جنگ قیمت ها در پیش است

جالب ترین قسمت داستان در سالنى اتفاق مى افتد که بسیار تحت نظر است. در اینجا یخچال هاى بزرگى قرار دارند که تورهایى از آن حفاظت مى کنند. در داخل این گاوصندوق هاست که موسسه ردیاب هایى از جنس DNA خود را ذخیره کرده است. رشته هاى تکى DNA وجود دارند که سطح گلوکز را تعیین مى کنند. نوعى سفارش کارکنان سفارش هزاران DNA از مشتریان دریافت مى کنند که آنها را به کمک روبوت ها بر روى صفحات شیشه اى رشته بسیار کوچک نگهدارى مى نمایند. این تراشه هاى زیستى که هرکدام یک در یک سانتیمتر ابعاد دارند، مى توانند چندین هزار ردیاب را در خود داشته باشند.

یک بازار واقعى که جاى خود را در بورس هم باز کرده است: افى متریکس سالانه چندین صد هزار تراشه مى فروشد. استیوم لومباردى یکى از اعضاى گروه، در حالى که تراشه اى به ابعاد دو سانتیمتر را بین انگشتان اشاره و شست خویش نگه داشته بر روى صندلى راحتى اش نشسته و در صورتش احساس رضایت یک کهنه کار به خوبى دیده مى شود. وى در گذشته به صورت دستى و با پیپت تشخیص هایش را صورت مى داد. ولى امروز کار به روشى بسیار پیشرفته صورت مى گیرد، موسسه اى که مشغول کار است شبانه روز 24 ساعت و در هفت روز هفته فعالیت مى کند. «ما کم کم داریم به صورت اینتل این صنعت در مى آییم: تراشه هاى ما در انبوهى از تکنولوژى در آینده دیگر به چشم نخواهند آمد.»

با این حال افى متریکس ناچار به مبارزه کردن است چرا که کالیفرنیا در این میان تنها نیست. دیگرانى هستند که به سرعت پیش مى روند. مثلاً در فرانسه داباگ در قطب ژن اورى (اسون) در آغاز راه است. در چین چندین صد پروژه که در ابتدا با تزریق ده ها میلیون دلار از سوى دولت کار خود را شروع کردند، اکنون اندک اندک مستقل مى شوند. علاوه بر این ما شرکت هاى بزرگى چون جنرال الکتریک، موتورولا، آى بى ام، ابزارهاى تگزاس، کورنینگ، هیتاچى- که در ساخت «مرکز حیاتى» عظیم هنگ کنگ مشارکت دارد و حتى فیلیپس هم گام در این راه گذاشته اند- همه اینها آماده وارد شدن در بازارند.

سرسخت ترین آنها Agilent نام دارد. این موسسه واقع در پالوآلتو جایگاه دوم را در این بخش به خود اختصاص داده است. دارین سولومون معاون رئیس موسسه مى گوید: «ما سال گذشته 15درصد رشد را به ثبت رساندیم.» در واقع این موسسه متکى به هیولت پاکارد است. (هیولت پاکارد پیش از استقلال آن را به وجود آورد) که با 142000 کارمند داراى قدرت واقعى است Agilent که سالانه بیش از یک میلیارد دلار خرج تحقیقاتش مى کند، امروز آزمایشگاه کاملى را بر روى یک تراشه به بازار آورده که 20 هزار ژن در آن جاى دارد. تازه واردى که میدان نبرد را- که شرط ضرورى موفقیتش است- داوطلبانه و بدون برخوردار شدن از امتیازات پذیرش صلح ترک گوید، چیزى نصیبش نمى شود. تراشه ها هنوز گرانند و گاه تا چندین ده دلار قیمت دارند. افى متریکس براساس آمار و ارقام افتخار مى کند که از سال 1996 قیمت ها را بسیار پایین آورده، در آن سال قیمت یک تراشه فراتر از 200 دلار بوده گرچه هنوز هم براى فروش به عموم مردم قدرى گران است. براى پایین آوردن قیمت هیچ راهى بهتر از تغییر روش تولید نیست. تولید کننده آمریکایى فیبرهاى نورى- کورینگ ماده اى از شیشه ساخته که داراى هزاران حفره بسیار کوچک است که ردیاب هاى DNA در داخل آنها جاى مى گیرند. به گفته شرکت مذکور، با این ماده جدید در هر دقیقه بیشتر از سابق مى توان تراشه تولید کرد و بدین ترتیب هزینه هاى تولید را کاهش داد.

تب جمع آورى و ثبت اطلاعات

حتى در شرایط ارزانى، مشکلات دیگرى در پیش پاى تراشه هاى زیستى قرار دارند، چه رشته هاى DNA مسائل و موضوعات بسیار جدى پیرامون اخلاقیات را به پیش مى کشند. اولین آنها برملا کردن، مثل دستکارى اطلاعات محرمانه خصوصى است. چگونه مى توان این بانک هاى عظیم اطلاعاتى را که هزاران اطلاعات راجع به تنوع ژنتیک را گرد آورده اند، کنترل کرد؟ در انگلستان بیوبانک این کشور نمونه هایى از DNA 500 هزار داوطلب را جمع آورى کرده است. آیا روزى سناریوى فیلم آمریکایى «خوش آمدید به گاتاکا» که در آن اوما تورمن عاشق اتان هاوک به وى کمک مى کند تا از چنگال یک دولت پلیسى که در آن موفقیت نه از کار یا دانش بلکه از رمز DNA افراد حاصل مى شد بگریزد، به واقعیت نخواهد پیوست؟ این تب حتى به کانادا نیز راه یافته، در اینجا هشت ماه است که پروژه غول آساى کارتاژن مشغول جمع آورى و ثبت اطلاعات مربوط به بیمارى هاست، اطلاعاتى که به آسانى در اختیار بخش خصوصى قرار گیرد و اما استونى، دو سال است که سرسختانه سیاست فناورى پیشرفته را در پیش گرفته و این اندیشه جاه طلبانه را در سر دارد که اطلاعات ژنتیک تمام شهروندان خویش _ و نه فقط بیماران _ را جمع آورى کند. ولى این همراهى، بسیار مهم _ جذاب ولى به همان اندازه نگران کننده _ انسان و الکترونیک است که همه را نگران مى کند و به گفته گلن مک گى مسئول مسائل و موضوعات اخلاقى در دانشگاه پنسیلوانیا: «انسان همان احساس نگرانى را دارد که در نخستین روزهاى کلون هاى ژن ها (بازسازى و کشت ژن ها در محیط مصنوعى) داشت، احساس اینکه نمى داند بالاخره کار به کجا ختم مى شود.» وى اخیراً کتابى تحت عنوان «آن سوى علم ژنتیک» منتشر کرده که در آن شدیداً به وضع موجود که در آن عموم مردم از کمبود اطلاعات و آگاهى رنج مى برند خرده گرفته است: «زمان آن فرا رسیده که پس از این همه سال تحولات بى سروصدا بالاخره در جعبه سحرآمیز را بگشائیم…»

ولى تهاجم ژن ها به دنیاى الکترونیک قصد از پاى ایستادن را ندارد. موسسه وایزمن نخستین کامپیوتر براساس DNA را به راه انداخته است. این کامپیوتر که بسیار کوچک تر از کامپیوترهاى معمولى است، احتمالاً پس از تولید انبوه بسیار ارزان تر خواهند بود. ولى در عین حال و به خصوص بسیار قدرتمندتر: داده ها در این کامپیوتر بر پایه چهار فرآورى مى شوند (الفباى ژنتیک از چهار رمز تشکیل شده است: A براى آدنین، T براى تیمین، C براى سیتوزین و G براى گوانین) و نه برپایه دوتایى (0 و 1) همچون کامپیوترهاى کلاسیک چهار در برابر دو: طرفداران این کامپیوترها لاف مى زنند که قدرت آنها چهار برابر افزایش مى یابد. یک مثال؟ مایا، نخستین کامپیوتر DNA تمام بازى هاى tic-tac-toe (بازى با شرکت دو حریف که هر یک سعى مى کند سه حرف را به صورت افقى، عمودى، یا مورب زودتر از آن دیگرى به صورت یک ردیف قرار دهد [در ایران بازى مشابه به نام «دوز بازى» از قدیم رایج بوده است]) را بى برو و برگرد مى برد، در حالى که کامپیوترهاى امروزى از هر ده مورد بازى تنها شش مورد شانس برملا شدن از حریف انسانى را دارند…

سخن آخر

در فرانسه فعالیت تراشه «کمیساریاى انرژى اتمى» 40 نفر پرسنل در ژنوپل دورى (Genopole D,Evry) دارد و مى تواند سالانه 10 هزار تراشه DNA تولید کند. بانک ژن هاى انسانى آن که در پایان ماه آوریل تکمیل شده، هم اکنون بیش از 25 هزار ژن (ردیف پیاپى باز هاى آلى تشکیل دهنده مولکول DNA) را در اختیار دارد.

تاریخچه

در سال 1802 پتروف (V.P.Petrof) کشف کرد که اگر دو تکه زغال چوب را به قطب های باتری بزرگی وصل کنیم و آنها را به هم تماس دهیم و سپس کمی از هم جدا کنیم شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می شود. و انتهای آنها که از شدت گرما سفید شده است نور خیره کننده ای گسیل می دارد. قوس الکتریکی هفت سال بعد دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولتا قوس ولتا نامیده شود.

آزمایش ساده

اگر بخواهیم در یک روش ساده ای ایجاد قوس الکتریکی را نشان دهیم باید دو تکه کربن را روی گیره قابل تنظیم سوار نمود (بهتر است که به جای زغال چوب معمولی میله خاصی که از کربن قوس ساخته می شود و با فشار دادن مخلوط گرافیت ، کربن سیاه و مواد چسبنده به وجود می آیند، استفاده شود).

چشمه جریان می تواند برق شهر هم باشد برای اجتناب ازاینکه در لحظه تماس تکه های کربن مدار کوتاه ایجاد شود باید رئوستایی به طور متوالی به قوس وصل شود.

معمولا برق شهر با جریان متناوب تغذیه می شود. ولی در صورتی که جریان مستقیم از آن عبور کند قوس پایدارتر است به طوری که یکی از الکترودها همیشه مثبت «آند)و دیگری همواره منفی «کاتد)است.

ماهیت قوس الکتریکی

در قوس الکتریکی الکترودها در اثر حرارت سفید رنگ می شود. ستونی از گاز ملتهب رسانای خوب الکتریکی بین الکترودها وجود دارد. در قوس معمولی این ستون نوری بسیار کمتر از نور تکه های کربن سفید شده از آزمایش‌های مربوط به گرما گسیل می کنند. چون الکترود مثبت دمایش از الکترود منفی بیشتر است زود تر از بین می رود. در نتیجه تصعید شدید کربن صورت گرفته و در آن الکترود (الکترود مثبت) فرورفتگی به وجود می آید که به دهانه مثبت معروف است و داغ ترین نقطه الکترودهاست.

دمای دهانه در هوا و در فشار جو به 4000 درجه سانتیگراد می رسد. در لامپ های قوسی سازوکارهای منظم و خود کار خاصی برای نزدیک کردن تکه های کربن با سرعت یکنواخت وقتی با سوختن از بین می روند، مورد استفاده قرار می گیرند. برای اینکه سایش و خوردگی الکترود مثبت به خاطر دمای بالایش بیشتر است،برای همین همیشه الکترود کربن مثبت کلفت تر از الکترود منفی اختیار می شود.

دماهای بالا در قوس الکتریکی

قوس الکتریکی می تواند بین الکترودهای فلزی ساخته شده از آهن ، مس و غیره نیز بگیرد. در این حالت الکترودها به میزان زیادی ذوب و تبخیر می شوند و این عمل به مقدار زیادی آزمایش‌های مربوط به گرما احتیاج دارد. به این دلیل دمای مرکز الکترود فلزی معمولا کمتر از دمای الکترود کربنی است (2000 تا 2500 درجه سانتیگراد).

قوسی که بین الکترودهای کربن در گاز فشرده ای قرار می گیرد (حدود 20atm) بالا رفتن دمای مرکز مثبت تا 5900 درجه سانتیگراد یعنی دما روی سطح خورشید را ممکن ساخته است. معلوم شده است که کربن در این حالت ذوب می شود. دمای باز هم بالاتری را می توان در ستونی از گاز و بخاری که از آن تخلیه الکتریکی می گذرد، به دست آورد.

بمباران شدید این گاز و بخار با الکترون ها و یون هایی که با میدان الکتریکی قوس شتاب گرفته اند دمای ستون گاز را 6000 تا 7000 درجه سانتیگراد می رساند. به این دلیل تقریبا تمام مواد شناخته شده در ستون قوس الکتریکی ذوب و تبخیر می شوند. و بسیاری از واکنش های شیمیایی که در دماهای پایین انجام شدنی نیستند، با قوس الکتریکی امکان پذیر می شوند. مثلا میله های چینی دیر گداز در شعله قوس به سهولت ذوب می شود.

چگونگی ایجاد تخلیه قوس الکتریکی

برای ایجاد تخلیه قوس الکتریکی به ولتاژ زیادی احتیاج نیست با ولتاژ 40 تا 45 ولت بین الکترود ها می توان قوس را به وجود آورد. از طرف دیگر جریان داخل قوس زیاد است. مثلا حتی در قوس کوچک جریان به 5 آمپر می رسد، در حالیکه در قوس های بزرگ که در مقیاس صنعتی به کار می روند جریان به صدها آمپر بالغ می شود. این به این معنا ست که مقاومت قوس پایین است و از این رو ستون گاز تابان رسانای الکتریکی خوبی است.

یونیزاسیون گاز با انرژی قوس الکتریکی

یونش شدید گاز با قوس الکتریکی به آن دلیل امکان پذیر است که کاتد قوس الکتریکی تعداد زیادی الکترون گسیل می داد. این الکترون ها با برخورد با گاز داخل شکاف تخلیه گازی آن را یونیزه می کنند. گسیل الکترونی شدید از کاتد از آنجا ممکن می شود که خود کاتد تا دمای بسیار بالایی گرم می شود (بسته به ماده از 2200 تا 3500). وقتی که الکترودهای قوس در ابتدا تماس داده شوند تقریباً تمام گرمای ژول که از الکترود ها می گذرد در ناحیه تماس که مقاومت بسیار دارد آزاد می شود.

به این دلیل انتهای الکترودها به شدت گرم می شوند که برای گیراندن قوس به هنگام جداکردن آنها کافی است آن وقت کاتد قوس توسط جریانی که از قوس می گذرد، در حالت التهاب می ماند. در این فرایند بمباران کاتد توسط یون هایی که به آن برخورد می کند نقش اصلی را ایفا می کند.

مشخصه جریان ولتاژ قوس الکتریکی

یعنی بستگی جریان الکتریکی در قوس الکتریکی به ولتاژ بین الکترودها ، ویژگی خاصی دارد. در فلزات و الکترولیت ها جریان متناوب با ولتاژ افزایش می یابد «قانون اهم). در صورتیکه برای رسانش القایی گازها جریان ابتدا با ولتاژ زیاد می شود، سپس اشباع شده و مستقل از ولتاژ است.

بنابر این افزایش جریان در تخلیه قوسی به اندازه مقاومت در شکاف بین الکترودها و ولتاژ بین آنها منجر می شود. برای اینکه تابانی قوس پایدار بماند رئوستا یا مقاومت الکتریکی قوی دیگری را باید به طور متوالی به آن بست.

کاربرد لیزر در مصارف نظامی

کاربردهای نظامی لیزر همیشه عمده ترین کاربردهای آن بوده است . فعلا مهمتریم کاربردهای نظامی لیزر عبارت اند از:

الف) فاصله یا بهای لیزری

ب) علامت گذارهای لیزری

ج) سلاح های هدایت انرژی

فاصله یاب لیزری مبتنی بر همان اصولی است که در رادارهای معمولی از آن ها استفاده می شود. یک تپ کوتاه لیزری ( معمولا با زمان 10 تا 20 نانوثانیه) به سمت هدف نشانه گیری می شود و تپ پراکنده برگشتی بوسیله یک دریافت کننده مناسب نوری که شامل آشکارساز نوری است ثبت می شود. فاصله مورد نظر با اندازه گیری زمان پرواز این تپ لیزری به دست می اید. مزایای اصلی فاصله یاب لیزری را می توان به صورت زیر خلاصه کرد :

الف) وزن - قیمت و پیچیدگی آن به مراتب کمتر از رادارهای معمولی است.

ب) توانایی اندازه گیری فاصله حتی برای هنگامی که هدف در حال پرواز در ارتفاع بسیار کمی از سطح زمین و یا دریا باشد.

اشکال عمده این نوع رادار در این است که باریکه لیزر در شرایط نامناسب رویت به شدت در جو تضعیف می شود. فعلا چند نوع از فاصله یابهای لیزری با بردهای تا حدود 15 کیلومتر مورد استفاده اند :

:الف) فاصله یاب های دستی برای استفاده سرباز پیاده ( یکی از آخرین مدل های آن در آمریکا ساخته شده که در جیب جا می گیرد و وزن آن با باتری حدود 500 گرم است.

:ب) سیستم های فاصله یاب برای استفاده در تانکها

:ج) سیستم های فاصله یاب مناسب برای دفاع ضد هوایی

اولین لیزرهای که در فاصله یابی از آن ها استفاده شد لیزرهای یاقوتی با سوئیچ Q بودند. امروزه فاصله یابهای لیزری اغلب بر اساس لیزرهای نئودمیم با سوئیچ Q طراحی شده اند. گرچه لیزرهای CO2 نوع TEA در بعضی موارد ( مثل فاصله یاب تانک ها ) جایگزین جالبی برای لیزرهای نئودمیم است.

دومین کاربرد نظامی لیزر در علامت گذاری است. اساس کار علامت گذاری لیزری خیلی ساده است : لیزری که در یک مکان سوق الجیشی قرار گرفته است هدف را روشن می سازد به خاطر روشنایی شدید نور هنگامی که هدف به وسیله یک صافی نوری با نوار باریک مشاهده شود به صورت یک نقطه روشن به نظر خواهد رسید. سلاح که ممکن است بمب - موشک - و یا اسلحه منفجر شونده دیگری باشد بوسیله یک سیستم احساسگر مناسب مجهز شده است. در ساده ترین شکل این احساسگر می تواند یک عدسی باشد که تصویر هدف را به یک آشکارساز نوری ربع دایره ای که سیستم فرمان حرکت سلاح را کنترل می کند انتقال می دهد و بنابراین می تواند آن را به سمت هدف هدایت کند. به این ترتیب هدف گیری با دقت بسیار زیاد امکان پذیر است. ( دقت هدف گیری حدود 1 متر از یک فاصله 10 کیلومتری ممکن به نظر می رسد.) معمولا لیزر از نوع Nd: YAG است. در حالی که لیزرهای CO2 به خاطر پیچیدگی آشکارسازهای نوری ( که مستلزم استفاده در دماهای سرمازایی است) نامناسب اند. علامت گذاری ممکن است از هواپیما - هلیکوپتر و یا از زمین انجام شود. ( مثلا با استفاده از یک علامت گذار دستی ).

اکنون کوشش قابل ملاحظه ای هم در آمریکا و هم در روسیه برای ساخت لیزرهایی که به عنوان سلاحههای هدایت انرژی به کار می روند اختصاص یافته است. در مورد سیستم های قوی لیزری مورد نظر با توان احتمالا در حدود مگا وات ( حداقل برای چند ده ثانیه ) یک سیستم نوری باریکه لیزر را به هدف ( هواپیما - ماهواره یا موشک ) هدایت می کند تا خسارت غیر قابل جبرانی به وسایل احساسگر آن وارد کند و یا اینکه چنان آسیبی به سطح آن وارد کند که نهایتا در اثر تنش های پروازی دچار صدمه شود سیستم های لیزر مستقر در زمین به خاطر اثر معروف به شکوفایی گرمایی که در جو اتفاق می افتد فعلا چندان عملی به نظر نمی رسند. جو زمین توسط باریکه لیزر گرم می شود و این باعث می شود که جو مانند یک عدسی منفی باریکه را واگرا سازد با قرار دادن لیزر در هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع بالا و یا در یک سفینه فضایی می توان از این مساله اجتناب ورزید. اطلاعات موجود در این زمینه ها به علت سری بودن آن ها اغلب ناقص و پراکنده اند. اما به نظر می رسد که این سیستم ها کلا شامل باریکه هایی پیوسته با توان 5 تا 10 مگا وات (برای چند ثانیه ) با یک وسیله هدایت اپتیکی به قطر 5 تا 10 متر باشند مناسب ترین لیزرها برای اینگونه کاربرد ها احتمالا لیزرهای شیمیایی اند ( DF یا HF) . لیزرهای شیمیایی به ویژه برای سیستم های مستقر در فضا جالب اند زیرا توسط آن ها می توان انرژی لازم را به صورت انرژی ذخیره فشرده به شکل انرژی شیمیایی ترکیب های مناسب تامین کرد.

همچنانکه بشر عمیق و عمیق تر به مطالعه خواص مواد اطراف خود می پردازد با تعداد بیشتری از مظاهر نیروهای الکتریکی مواجه می شود انرژی الکتریکی برای بشر روشهای گوناگون و دقیقی در حل مسائل مختلف علم و انقلاب تکنولوژیک معاصر به ارمغان آورد.

ساختمان اتم:

هر اتم به صورت سیستم یکی از بارهای الکتریکی ظاهر می شود. هسته دارای بار مثبت و الکترون های در حال چرخش در اطراف آن دارای بار منفی می باشد. چون تمرکز جرم اتم در هسته اش می باشد. چنین به نظر می رسد که تقریبا تمامی وجود ماده با بار مثبت توام است که به مقدار زیادی ، خواص دنیای اطراف ما را تعیین می کند.

اختلاف بین مواد شیمیایی مثلا اکسیژن و آهن فقط به واسطه این واقعیت است که هسته اتمی اکسیژن محتوی 8 بار مثبت و آهن محتوی 26 بار مثبت بوده و لایه های هر اتم دارای همان تعداد الکترون می باشد بیشتر واکنشهای شیمیایی در طبیعت نتیجه عکس العمل بین الکترونهای خارجی است که بطور نسبی بیشترین فاصله را از هسته دارا می باشند.

برای مدتها تصور می شد که الکترون ساده ترین و کوچکترین ذره در جهان است. الکترون های تمامی مواد کاملا یکسان و مشابه هم می باشند. چه در آب یا چوب یا آهن تحت هیچ شرایطی ممکن نیست که بار الکتریکی مثبت یا منفی کوچکتر از بار مطلق یک الکترون وجود داشته باشد.

قوانین حاکم بر حرکت الکترون:

- در طی مطالعات زیاد معلوم شده که قوانین حرکتی اثبات شده برای مواد بزرگ را نمی تواند بطور کامل برای الکترونهای داخل اتم به کار رود. در اجسامی که یکصد میلیونیم سانتی متر بعد دارند به کلی قوانین متفاوتی مطرح می شود. در مقایسه با منظومه شمسی یا هر سیستم مکانیکی عظیم الجثه ای که می تواند با توجه به سرعت اولیه اش در هر مسیری حرکت کند.

- الکترون ها در اتم مجبورند که فقط در طول مدارهایی حرکت کنند که مربوط به مقادیر معین انرژی و همان مغناطیسی آنها می شود. به طوری که الکترون نمی تواند مقادیر دیگری انرژی را جز مقادیر فوق الذکر داشته باشد. طبیعت منفرد و غیر متوالی مکان الکترون ها در مدارها یا به طور دقیق تر وجود مقادیر دقیقاً معین از انرژی در اتم یکی از خواص اساسی تئوری مکانیک کوانتومی است.

- بر طبق تئوری کوانتومی انتقال یک الکترون از یک مدار به مدار دیگر یعنی از یک حالت انرژی به حالت دیگری از انرژی در اتم با جذب یا پخش یک بار انرژی دقیقا معین همراه است. اگر یک حالت معین انرژی بوسیله یک الکترون اشغال شود، الکترون دیگر نمی تواند آن را اشغال نماید و یک اتم نمی تواند دو الکترون با حالت انرژی یکسان داشته باشد.

- از تمام حالات ممکنی که یک الکترون می تواند در یک اتم داشته باشد در اولین حالت آن الکترون کمترین مقدار انرژی را داشته در نتیجه به شدت جذب هسته شده و در داخلی ترین مدار الکترونی نزدیک به هسته متمرکز می گردد. بنابر این ، همه الکترونها نمی توانند در یک سطح انرژی متمرکز شوند و هر الکترون بعدی سطح انرژی بیشتری را اشغال کرده و بقیه سطوح غیراشغال شده باقی می مانند. این قانون که نشان دهنده پخش الکترون در تمام عناصر به ترتیب افزایش انرژی می باشد، حالت کوانتومی نام دارد.

- خواص شیمیایی یک اتم بستگی به مقدار و ترتیب الکترون ها در مدار الکترونی دارد.

مدار الکترونی عناصر در جدول تناوبی:

- هر دوره تناوب از جدول تناوبی مطابق با شباهتهای موجود در خواص شیمیایی اتمها ساخته شده است. بنابر این ، خواص شیمایی مثلا تناوب دوم ، نزدیک به خواص شیمیایی تناوب اول است.

- ترتیب الکترون ها در اتم لیتیوم شبیه اتم سدیم است (با سطوح انرژی متفاوت تناوب بعدی). شکل الکترونی مشابهی را برای اتم پتاسیم داریم. در مورد اتمهای روبیدیوم و سزیوم همین شباهت وجود دارد. تمامی این عناصر متعلق به اولین گروه از جدول تناوبی یعنی گروه فلزات قلیایی می باشد.

- برای جداکردن خارجی ترین الکترون ها در اتمی مثلا لیتیوم لازم است که انرژیی معادل 5.39 الکترون ولت مصرف شود. برای دو الکترونی که به هسته نزدیک تر می باشند، چون با قدرت بیشتری به وسیله هسته نگهداری می شوند انرژی اتصال آنها با هسته به ترتیب برابر 75.6ev و 122.4ev می باشد.

- جریان مستقیمی از الکترون ها (مستقل از نوع اتمهایشان) در یک هادی یا نیمه هادی جریان الکتریسته خوانده می شود.

انتقالات مجاز الکترونی بین ترازی:

- زمانی که یک اتم از خارج انرژی دریافت می کند این انرژی در بسته های دقیقا معین کوانتا جذب اتم می گردد و الکترون ها به مدارهای دورتر از هسته به سطوح انرژی بالاتر جابه جا می شوند و جذب بیشتر کوانتای انرژی به وسیله اتم باعث انتقال بیشتر الکترون از هسته می گردد. این حالت که اتم به صورت تحریک شده در آمده نمی تواند برای مدت طولانی دوام بیاورد و با برگشتن الکترون به حالت قبلی اتم نیز به حالت عادی خود بر می گردد.

- قسمت زیادی از انرژی الکترون تحریک شده به صورت کوانتایی از اشعه الکترومغناطیس پخش می شود زمانی که این انتقال الکترونی در خارجی ترین لایه ها انجام گیرد که انرژی اتصال الکترون به هسته کمترین مقدار است، کوانتایاشعه مادون قرمز ، نورمرئی یا اشعه ماورای بنفش پخش می گردد.

- در زمانی که الکترون ها به اربیتالهای نزدیک هسته منتقل شوند (برای مثال پرش به یک یا چند مدار) کوانتای پر انرژی تری از تشعشعات الکترومغناطیسی «اشعه ایکس محتوی انرژی چند برابر بیشتر از تابش مادون قرمز و ماورای بنفش) منتشر می شود.