شفق قطبی چیست و چگونه تشکیل می شود؟

نیروهای لورنتس که موجب انحراف مسیر الکترونها در میدان های مغناطیسی می شود در بسیاری از پدیده های طبیعی تجلی می یابند و فقط با یاری گرفتن از این نیروها توضیح آنها ممکن است. یکی از تماشایی ترین و با شکوهترین پدیده ها از این نوع شفق قطبی است، که مشخصه عرض های جغرافیایی بالا , نزدیکی های شمال یا جنوب مدار قطبی است. پدیده شگفت آور و زیبایی که در طول شب قطبی طولانی در آسمان دیده می شود.

آسمان تابان می شود و نقش هایی با رنگها و شکل های گوناگون دیده می شود. گاهی دارای شکل کمان یکنواخت ، ساکن یا تپنده است و گاهی عبارت است از شمار زیادی پرتو با طول موج های متفاوت ، که مانند پرده ها و نوارها بازی می کنند و پیچ و تاب می خورند. رنگ تابانی از سبز مایل به زرد به سرخ و بنفش مایل به خاکستری تغییر می کند. طبیعت و منشا شفق های قطبی زمان درازی به کلی پوشیده مانده بود. تا اینکه به تازگی برای این راز توضیح رضایت بخشی پیدا شد.

ارتفاع شفق های قطبی

قبل از همه , دانشمندان موفق شدند ارتفاعی را که شفق های قطبی ظاهر می شوند، تعیین کنند. به این منظور از یک تابانی از دو نقطه به فاصله چند ده کیلومتر از یکدیگر عکس گرفتند. به کمک چنین عکس هایی ثابت کردند که شفق های قطبی در ارتفاع 80 تا 100 کیلومتری بالای زمین (بیشتر اوقات در ارتفاع 100 کیلومتر) ظاهر می شوند. به این ترتیب دریافتند که شفق های قطبی تابانی گازهای رقیق موجود در جو زمین هستند، که تا اندازه ای به تابانی در لامپ های تخلیه گاز شبیه می باشند.

دوره تناوب ظهور شفق های قطبی

رابطه جالب بین شفق های قطبی و پدیده های دیگر روشن است. شفق های قطبی با دوره های متفاوت مشاهده می شوند. اختلاف دوره های شفق قطبی بعضی اوقات به چندین سال می رسد. مشاهدات چندین ساله آشکار ساخته اند که دوره های زیادی ماکزیمم شفق های قطبی به طور مرتب در 11.5 سال تکرار می شوند . در طول این مدت ، شماره شفق های قطبی نخست سال به سال کاهش می یابد و سپس شروع می کند به زیاد شدن تا مقدار آن در 11.5 سال از نو به ماکزیمم می رسد.

سایر پدیده های زیبای جوی

مشاهده سطح خورشید ، از خیلی پیش ، وجود لکه های تار و نامنظمی را روی قرص آن آشکار ساخته اند که اغلب شکل و جایشان عوض می شود، معلوم شده است که تعداد و مساحت کل این لکه ها از سالی به سال دیگر ، نه به طور کاتوره ای بلکه با همان دوره 11.5 سال , تغییر می کنند . در این فرایند , ماکزیمم لکه های خورشیدی ، یا فعالیت خورشیدی ماکزیمم ، همزمان با شفق قطبی ماکزیمم عارض می شوند و نابودی آنها نیز با هم هماهنگ می باشد.

تعداد توفان های مغناطیسی به ماکزیمم خود می رسد. در سالهای اخیر رابطه مشابهی بین فعالیت خورشیدی (تعداد لکه های خورشیدی) و شرایط انتشار امواج رادیویی در لایه های بالای جو اثبات شده است. بنابراین مساله ، علاوه بر معنای نظری محض ، اهمیت عملی نیز پیدا کرده است.

فرضیه بیرکلند در مورد لکه های خورشیدی

بیرکلند (B.Birkeland ) دانشمند نروژی با مقایسه نتایج اخیر این فرضیه را مطرح کرد که لکه های خورشیدی ناحیه هایی هستند که آنها باریکه های ذرات باردار (الکترونها) به داخل فضای اطراف گسیل می شوند. این ذرات با رسیدن به لایه های بالای جو زمین ، از طریق برخوردهای الکترون در این لایه ها ، مشابه تخلیه گاز در لوله ، گازها را به تابانی وا می دارند. این الکترون ها همچنین روی میدان مغناطیسی زمین و شرایط انفجار امواج رادیویی مجاور زمین اثر می گذارند.

یک پرسش و یک پاسخ

اگر نظریه بیرکلند درست باشد، چرا شفق های قطبی در عرض های بالا ، یعنی در نواحی نزدیک به قطب ها مشاهده می شوند؟ در صورتیکه می دانیم پرتوهای خورشید تمام سطح زمین را روشن می کنند. پاسخ این پرسش را استرمر (Stermer) ، دانشمند نروژی دیگر پیدا کرد. ذرات باردار گسیل شده از خورشید به جو زمین می رسند و به درون میدان مغناطیسی آن نفوذ می کنند. در آنجا نیروی لورنتس بر آنها اثر می کند. و آنها را از مسیر اولیه خود منحرف می سازد.

استرمر محاسبات ریاضی پیچیده ای انجام داد و مسیر این الکترون ها را در میدان مغناطیسی زمین حساب کرد. او نشان داد که ذرات باردار منحرف شده توسط میدان مغناطیسی زمین ، به یقین فقط به نواحی قطبی کره زمین وارد می شوند.

کاربرد ویژه نیروی لورنتس

این نظریه که در انحراف ذرات باردار در میدان مغناطیسی زمین نیروی لورنتس را به حساب می گیرد، با شمار زیادی از نتایج آزمایشگاهی به خوبی همخوانی دارد و در حال حاضر پذیرش همگانی یافته است. هر چند به تازگی برای توضیح کمی تمامی این دیدگاه دشواریهایی بروز کرده است.

هرگاه سیستمی از جسم های تابش کننده و جذب کننده بسته باشد در اینصورت گاز فوتونی « گازی که جسم ها به یاری آن انرژی تبادل می کنند » باید با اتم های تامین کننده فوتون ها در تعادل باشد. تعداد فوتون ها با انرژی hv به این بستگی دارد که چند اتم در سطح E1 و چند تا در سطح E2 قرار دارند؟. در مورد تعادل این عددها بدون تغییر باقی می مانند. به هر حال از آنجا که روندهای تحریک و تابش در همان زمان روی می دهند. تعادل ماهیت دینامیک دارد. اتم ها یا سیستم اتمی به طریقی ( با برخورد با ذره ها یا بر اثر جذب یک فوتون از خارج ) به سطح بالاتری ارتقا می یابند. سیستم تا مدت تا حدی نامعین ( معمولا کسری از یک ثانیه ) در حالت تحریک شده پافشاری می کندو سپس به سطح پایین تری بر می گردد. این روند را تابش خودبخودی می خوانند. اتم همانند توپ کوچکی رفتار می کند که بر روی قله نوک تیزی با برجستگی ها و فرورفتگی های پیچیده قرار دارد. کمترین نسیم کافی است تا تعادل را بر هم زند. توپ رو به پایین دره معمولا پایین ترین نقطه غلت می خورد و در این صورت تنها تاثیر نیرومندی می تواند دوباره آن را در بیاورد ما می گوییم که اتم در پایین ترین سطح افتاده است و در حالت پایداری است.

ولی در اینجا باید توجه کنیم که بین قله و پست ترین بخش های دره حالت های بینابینی نیز وجود دارد. ممکن است توپ در فرورفتگی ناچیزی در حال سکون باشد که می توان آن را به یاری به اصطلاح دمی از هوا و با حداقل فشار کمی از مخمصه نجات داد.این حالت ناپایدار تزلزل پذیر است. بدین ترتیب در کنار حالت پایدار و تحریک شده نوع سومی از سطح انرژی - نوع تزلزل پذیری - وجود دارد. خلاصه کنیم در اینصورت انتقال در هر دو جهت روی خواهد داد. ابتدا یک اتم و سپس اتم دیگری به سطح انرژی بالاتری حرکت خواهد کرد.

در لحظه بعدی آن ها به سطح پایین تر سقوط خواهد کرد و نور خارج می کنند ولی در همان زمان ویژه اتم های دیگری انرژی دریافت خواهد کرد و به سطح های بالاتر ارتقا خواهند یافت.

قانون بقای انرژی ملزم می کند که تعداد انتقال به بالا با تعداد انتقال به پایین برابری می کند. تعداد انتقال به بالا به چه چیزی بستگی دارد؟

دو عامل : نخست تعداد اتم ها در طبقه پایین تر و دوم تعداد ضربه ها یا برخورد که آن ها را به طبقه بالاتر ارتقا می دهد از تعداد رو به پایین چه ؟

البته آن با تعداد اتم های واقع در طبقه بالاتر تعیین می شود و به نظر خواهد رسید که مستقل از هر عامل دیگری است. این دقیقا همان چیزی است که فیزیکدانان در ابتدا تصور می کردند و با این حال تکه ها با هم جور در نمی آمدند. تعداد انتقال های بالا که به دو عامل بستگی دارد با مقایسه تعداد انتقال های رو به پایین که تنها به یک عامل بستگی دارد با افزایش دما بسیار تندتر افزایش می یافت . معلوم شد که این مدل چنین آشکاری هیچ و پوچ است. دیر یا زود همه اتم ها به بالاترین سطح رانده می شدند. سیستم در حالت ناپایداری بدون هیچ تابشی می بود.

دقیقا همین نتیجه گیری غیر ممکن بود که انیشتین در سال 1926 از میان استدلال های پیشینیان خود دست چین کرد. ظاهرا تاثیر « نفوذ » دیگری وجود داشت که بر انتقال اتم ها از طبقه بالاتر به طبقه پایین تر اثر می گذاشت. هر کس تنها می توانست نتیجه بگیرد که علاوه بر انتقال خودبخودی انتقال اجباری به سطح پایین تر وجود داشت.

به اصطلاح تابش ( امیسیون ) تحریک شده چیست؟ به طور خلاصه این است سیستمی در سطح پایین تر است آن با تفاوتE2-E1=hv از سطح پایین تر جدا شده است. اینک هرگاه فوتونی با انرژی hv بر روی سطح بیفتد در اینصورت سیستم را وادار می کند تا به سطح پایین تری حرکت کند. این فوتون افتاده در طول روند جذب نمی شود ولی به حرکت خود ادامه می دهد در حالی که با فوتون تازه ای دقیقا از همان نوع که توسط فوتون نخست ایجاد شده است همراهی می شود. در این استدلال دنبال هیچ منطقی نباشید. آن استدلال اشراقی حدس بود و قرار بود آزمایش درست یا نادرست بودن آن را اثبات کند

با استفاده از فرض خروج ( تابش ) تحریک شده ما قادریم فرومولی کمی اتخاذ کنیم که نمودار تابش را به صورت تابعی از طول موج جسم گرم شده نمایان می سازد. تئوری ثابت کرد که توافق نمایانی با آزمایش دارد و بدین ترتیب فرضیه را محق جلوه داد.

هر شی در نجوم بوسیله تابش الکترو مغناطیسی مشاهده می شود بنابر این توجه به برخی از مبانی فیزیک درباره تابش وجذب لازم است .تابش الکترو مغناطیسی فقط یک موج متحرک در میدان مغناطیسی و الکتریکی است که در معادلات ماکسول به هم مربوط می شوند.موج الکترو مغناطیسی باسرعت نور منتشر می شود. C=2.998*108
حاصل ضرب طول موج و فرکانس برابر سرعت نور است.
C=F*g
که به صورت سنتی طیف سنجها طول موج را اندازه گیری می کنند.
با وسائل جدید تمام محدوده طیف قابل مشاهده است. تعدادی ازطول موجهایی که فقط می توانند در بالای جو اندازه گیری شوند؛درفنآوری ماهواره ای به کارمی روند.

تابش نور به چندطریق صورت می گیرد:
1-فرآیند پهن شدگی (فرآیند گرما یونی )-تابش جسم سیاه. 2-تابش خطی .
3-تابش سینکروترون ناشی از بارهای الکتریکی شتابدار.
ما درباره’ مورد اول بحث خواهیم کرد
تابش جسم سیاه:

جسم گرم در دمای مشخص T گستره پهنی از امواج الکترو مغناطیس تابش می کندو جسم گرمتر آبی تر تابش میکند .
برای مثال داخل زمین یک مخزن نور است که مانند یک باطری ضعیف شده کم نورتر وقرمزتر است . این مسئله در ابتدای قرن بیستم در فیزیک کلاسیک حل شده ویکی از موفقیتهای مکانیک کوانتومی شکل گرفته بود.
طیف تابش گسیل یافته برای فیزیک کلاسیک یک مشکل بزرگ بود .
استفان و بولتزمن کشف کردند که تمام گرمای تابش شده بوسیله سطح جسمی با مساحت A و دمایT برابر است با:
Q=AsT4 s =5.67*108
شدت تابش درواحد حجم که تابع طول موج است ،اندازه گیری شد. موقعیت ماکزیمم ناگهانی در طیف ،توسط قانون جابجایی وینز ((Wiens تشریح شد و مکان بیشترین شدت در طول موج
-3^10*2.9 که در آن Tدر مقیاس کلوین است.
بنابرا ین طول موج تابش گسیل یافته، نظریه تابشی جسم را ارائه می دهد.
تلاشهای رایلی (Rayleigh)برای توضیح مشاهدات از نظر کلاسیکی نا موفق بود .او محاسباتی انجام داد با این فرض که موجها درون کاواک قرار بگیرند وتابش گریزی از سوراخ کوچکی در دیواره کاواک را بدست آورد.فقط طول موجهایی مجازبودند که دقیقا موج بر دیواره کاواک قرار می گرفت (دیواره’ کاواک مکان گره ها بود).
رایلی فرض کرد که هر گونه طول موج دارای انرژی KT است( K ثابت بولتزمن است).محاسبات پش بینی می کرد که در دمای T تابندگی (شدت تابش ) به طول موج وابسته است.
I(l)= T/landa^4
فرض بالا یک مشکل دارد؛وقتی طول موج صفر می شود شدت بینهایت می گرددواین مساله به عنوان فاجعه فرابنفش شناخته شد.
در سال 1900م.پلانگ این مشکل را با گسسته فرض کردن تابش الکترو مغناطیسی حل کرد.او فرض کرد که تابش بوسیله نوسانگرهای الکترو مغناطیسی درون دیواره کاواک تولید میشود.انرژی نوسانگرها فقط می توانست به صور ت گسسته مضربی از بسامد باشدn=0,1,2,3,… ; E=nhn.
محا سبات پلانگ تفاوت بنیادی با محاسبا ت رایلی داشت که مقادیر انرژی را پیوسته فرض کرده بود. محاسبات پلانک تابندگی در طول موج خاص را بصورت زیر داد:
I(l)=2*?*h*c^2/[l^5[exp(hc/lkT)-1]]
فرم بالاقانون استفان بولتزمن و قانونوینز را تایید می کند
. در طول موجهای زیاد فرمول بال منجر به نتایج رایلی می شود.
در واقع در اندازه گیری دمای یک ستاره نوعی طیف سنجی یا نور سنجی میتواند به کار رود.
مقایسه بین تابندگی نسبی مقدار نور گسیل شده یک ستاره در دو طول موج:.
این نسبت مشخصه دمایی است بنابر این اندازه گیری تمام طیف جسم سیاه الزامی نیست.چون تابندگی در هر دمای مشخص به طور نسبی در شدت 550 nm بهنجار شده است.called V or Visual Band )) ((
اندازه گیری دوم در تابندگی 440nm
(( called B or Blue band ))
اندازه گیری دما را ممکن میسازد

فیزیک دانان انگلیسی و آمریکایی سیلیکون تازه‌ای خلق کردند که شمار پروتون‌های هسته آن "عدد جادویی" تازه‌ای در میان اعداد اتمی به شمار می‌آید .

هسته‌های اتمهای مختلف فقط در صورتی پایدار باقی می‌مانند که شمار ریز-ذره‌هایی که در درون آنها جای دارند، یعنی شمار پروتون‌ها و نوترون‌های آنها، برابر اعداد معینی باشد.

این اعداد که به عددهای جادویی شهرت دارند نشان‌دهنده این نکته است که در درون هسته هیچ ریز-ذره آزادی موجود نیست که در ترازهای انرژی خاص خود به تنهایی سرگرم گردش باشد و همه ریزذره‌ها در ارتباط با یکدیگر سطوح انرژی درون هسته را پر کرده‌اند.

فیزیک‌دانان از مدتها پیش به شماری از این اعداد جادویی دست یافته بودند. این اعداد عبارتند از 2 ، 8 ، 20 ، 28 ، 50 ، 82 و 128 برخی از عناصر موجود در طبیعت یا عناصر مصنوعی این خاصیت را دارند که هسته آنها با این اعداد جادویی مطابق است.

یعنی شمار پروتون‌ها یا نوترون‌های آنها مساوی با یکی از این اعداد است. این گونه عناصر در مقایسه با عناصر دیگر از پایداری بیشتری برخوردارند. در برخی از عناصر هم شمار پروتون‌ها و هم شمار نوترون‌ها مساوی با اعداد جادویی است و این گونه عناصر از پایداری مضاعف و دوگانه برخوردارند.

با این حال فیزیک دانان به این نکته نیز توجه داشته‌اند که سلسله اعداد جادویی که تاکنون کشف شده‌اند کامل نیست و اعداد جادویی دیگری نیز موجودند که می‌توان آنها را به این سلسله اضافه کرد.

در این هفته یک گروه مشترک از فیزیک‌دانان انگلیسی و آمریکایی در مقاله‌ای که در نشریه علمی "نیچر" به چاپ رسید گزارش دادند موفق به تولید یک سیلیکون رادیو اکتیو شده‌اند که هسته آن به طور مضاعف پایدار است و در عین حال شمار پروتون‌های آن یک عدد جادویی تازه را ارایه می‌دهد.

این پروتون رادیواکتیو که پروتون 42 نام دارد 28 نوترون و 14 پروتون دارد. به این ترتیب عدد 14 عدد جادویی تازه‌ای است که به سلسله اعداد جادویی اضافه شده است.

به گفته "جف تاستوین" فیزیک دان هسته‌ای از دانشگاه ساری که یکی از اعضای تیم مشترک انگلیسی- آمریکایی است بین ترازهای انرژی 8 و 20 برخی زیرترازها وجود دارند که به علت نزدیکی بیش از حد به یکدیگر معمولا به عنوان تراز مستقل به حساب آورده نمی‌شوند و بنابراین انتظار نمی‌رود در میان آنها به یک عدد جادویی دست یافته شود.

به این اعتبار سیلیکون معمولی که 14 پروتون و 14 نوترون دارد عنصری دارای اعداد جادویی تلقی نمی‌شود. اما هسته عناصر می‌توانند شمار بیشتری از ریز-ذرات اتمی را در خود جای دهند و این امر موجب می‌شود در موقعیت نسبی ترازهای انرژی درون هسته تغییر ایجاد شود.

تاستوین به اتفاق "پل کاتل" از دانشگاه فلوریدا و شمار دیگری از فیزیک دانان به بررسی این فرضیه پرداختند که اگر تعداد بیشتری نوترون به سیلیکون معمولی اضافه شود، این امر موجب تغییر در ترازهای انرژی داخل هسته این عنصر شده و باعث می‌شود عدد 14 به یک عدد جادویی تبدیل شود.

این محققان به منظور آزمودن فرضیه خود یک پرتو با انرژی بالا از جنس گوگرد 44 را به عنصر برلیوم تاباندند و به این ترتیب اتمهای گوگرد را وادار کردند تا دو پروتون خود را در اثر برخورد از دست بدهد و به سیلیکون 42 تبدیل شود.

این گروه آنگاه نتایج حاصل از آزمایش را با نتایج محاسباتی مقایسه کردند که با استفاده از نظریه مکانیک کوانتومی تنظیم شده بود. میان نتایج آزمایشی و این الگوی نظری انطباق کامل مشاهده شد.

اهمیت تحقیق تازه در این نکته نهفته است که با استفاده از آن می‌توان واکنشهای هسته‌ای را که در ستاره‌های غول پیکر و ابرنواخترها در هنگام انفجار اتفاق می‌افتد مورد بررسی قرار داد.

در هنگام انفجار این اجرام بسیار بزرگ مقادیر زیادی نوترون آزاد می‌شود که در برخورد با اتم‌ها، عناصری نظیر سیلیکون 42 تولید می‌کنند که از عمر کوتاهی برخوردارند.

به اعتقاد فیزیک‌دانان درک نحوه عمل این هسته‌های پر از نوترون می‌تواند به شناخت بهتری از چگونگی تطور و شکل‌گیری کیهان منجر شود.

 فیوز چیست ؟

مقاومت الکتریکی و جریان در مدار

جریان الکتریکی در رسانای متصل به مدار بنابر قانون اهم از روی مقاومت رسانا و ولتاژ دو سر آن معین می شود. برای یک ولتاژ معین ، هر چه مقاومت رسانای داده شده بیشتر باشد جریان کمتر است. مثلاً مقاومت لامپ های التهابی معمولی نسبتاًزیاد است ( صدها اهم ). و از این رو جریانی که از آنها می گذرد کم است (چند دهم آمپر) .

کوتاه شدگی مدار

اگر سیم ها را با اتصال فرعی به لامپ متصل کنیم. مدار فرعی با مقاومت بسیار کم بدست می آید. و جریان خیلی شدید می شود. در این مورد گفته می شود که مدار کوتاه بوجود آمده است. مدار کوتاه بطور عام هر اتصال کم مقاومتی در دو سر منبع جریان الکتریکی است. جریان های شدیدی که در مدار کوتاه ظاهر می شود فوق العاده خطرناک هستند و به علت آنکه سیم ها شدیداً گرم می شوند برای منبع جریان بسیار زیان آورند.

محافظت سیم ها از کوتاه شدگی مدار

برای محافظت سیم ها از کوتاه شدگی مدار ، فیوز استفاده می شود فیوز ها سیم های نازک مسی اند یا سیم هایی که از فلزات زود گداخت مثل سرب ساخته شده اند. که به طور سری به مدار حامل جریان متصل می شوند. و طوری در نظرگرفته می شوند که اگر جریان از مقدار مشخص شده بیشتر شود ذوب می شود. نمودار طرح وار زیر طرز کار فیوز را شرح می دهد وقتی که سیم ها توسط تکه سیم مسی متصل شوند مدار کوتاه فیوز بطور سریع ذوب شده و مدار قطع می شود.

ساختمان فیوز فشنگی با توپی پیچی

این فیوز رایجترین نوع از فیوزهاست که به کار برده می شود. منشا اصلاح فیوزی به توپی چینی که در سطح بیرونی فیوز قراردارد، مربوط است، که سیم با نقطه ذوب پایین در آن قراردارد. توپی مانند سرپیچ لامپ در سر پیچ پیچانده می شود و پس در هر کوتاه شدن مدار تعویض می شود.

معمولا ، یک فیوز یا دسته فیوزهایی به اتصال های تامین کننده جریان در یک ساختمان یا هر آپارتمانی متصل می شود. گاهی فیوزها را در جعبه مستقلی قرارمی دهند. فیوزپریزی در ساختمان جعبه فیوز وجود دارد که باید با عبور جریان 3تا 5A ذوب می شود، فیوز آپارتمان با عبور جریان 15تا 20A ذوب می شود. در حالیکه فیوز یک ساختمان برای جریانهای خیلی شدیدتر چند صد آمپر تنظیم می شود.

ساختمان فیوز با توپی پیچی

1. توپی چینی

2. سیم با نقطه ذوب پائین

3. جای فیوز