ریشه لغوی

این شیوه تصویر برداری در حقیقت به معنی تصویر گیری مقطعی و عرضی از اعضای بدن می‌باشد. اما دارای اسامی مختلفی است که از آن جمله می‌توان به CAT مخفف کلمات Computerized Axial Tomography به معنی توموگرافی کامپیوتری محوری می‌باشد. CTAT مخفف کلمات Computerized trans Axial Tomography به معنی توموگرافی کامپیوتری عرضی محوری می‌باشد. CTR مخفف کلمات computerized trans Recanstration ، CDT مخفف کلمات computerized Digital Tomography به معنی توموگرافی دیجیتالی کامپیوتری می‌باشد. اما نام ترجیحی آن که در کتابها و کاربردهای پزشکی بکار می‌رود کلمه CT اسکن مخفف کلمات computerized tomography scan می‌باشد که کلمه scan اسکن به معنی تقطیع کردن و واژه توموگرافی از Tomo به معنی برش یا قطعه و graphy به معنی شکل و ترسیم است، گرفته شده است. در اصل به معنی تصویرگیری از برشهای قطع شده از یک عضو به صورت کامپیوتری می‌باشد.

اگر با یک درخواست سی‌تی اسکن ، به بخش سی‌تی اسکن یک بیمارستان مراجعه کرده باشید، شاید برای شما این سوال پیش آمده باشد که فرو رفتن در یک دستگاه تونل مانند و بی حرکت ماندن برای مدتی در داخل آن شما را دچار دلهره می‌کند یا نه. آیا با توجه به اخبارهای رادیو و تلویزیون راجع به خطرات اشعه ایکس خطری شما را تهدید می‌کند یا نه؟ یا اینکه چگونه یک کارشناس رادیولوژی بعد از قرار دادن شما در داخل دستگاه خود به اتاق دیگری رفته و از پشت یک شیشه بزرگ و یک کامپیوتر چه کاری انجام می‌دهد و با بلندگو با شما صحبت می‌کند؟

تاریخچه

در سال 1917 میلادی یک ریاضیدان اتریشی به نام رادون (J.Radon) ثابت کرد که یک شیئی دو یا سه بعدی را می‌توان با گرفتن بی‌نهایت عکس از آن در جهات مختلف به تصویر کشید که پایه‌ای برای سی‌تی اسکن محسوب می‌شد. در سال 1956 دانشمندی به نام بارسول (Barcewell) نقشه خورشیدی از تصاویر شعاع‌ها درست کرد. در سال 1961 الدندرف (oldendorf) و در سال 1963 آلن کورمارک (Allencormarck) اندیشه‌هایی از سی‌تی اسکن را فهمیده و مدلهایی در حد آزمایشگاهی ساخته‌اند. در سال 1968 کول (kuhl) و ادواردز (Edwords) یک دستگاه اسکن مکانیکی برای تصویری از هسته ساخته‌اند که موفق بودند. اما نتوانستند کار خود را در حد رادیولوژی تشخیصی ، توسعه دهند. تا اینکه در سال 72-1970 اصول ریاضی گفته ‌شده توسط ریاضیدان انگلیسی (God feryhaunsfield) بکار گرفته شد و توانست یک دستگاه سی‌تی اسکن را بسازد و جهت مصرف بالینی معرفی کند. در سال 1979 جایزه نوبل بطور مشترک به پروفسور آلن کورمارک و گاد فری هانسفیلد تعلق گرفت.

سیر تحولی و رشد

مانند تمام رشته‌های تصویر گیری پزشکی (رادیولوژی) دستگاه‌های سی‌تی اسکن بطور مداوم تغییر کرده و بوسیله کارخانه‌ها و سازندگان مختلف پیش رفته است. دستگاه اولیه که بوسیله هانسفیلد و توسط شرکت EMI ساخته شده بود، فقط برای ارزیابی مغز طراحی شده بود، که دستگاه نسل اول یا EMI نام داشت. مدت‌ زمان کوتاهی نگذشت که نسل دوم دستگاه‌های سی‌تی اسکن با امکانات بیشتر به بازار آمد و نسل سوم این دستگاه‌ها با امکاناتی از جمله کم شدن زمان تصویر گیری معرفی شد. هم ‌اکنون نسل چهارم با سرعت خیلی بالا و امکانات بهینه و نتایج عالی موجود می‌باشد.

ساختمان یک دستگاه سی‌تی اسکن

یک دستگاه اسکن توموگرافی کامپیوتری از یک میز برای قرار گرفتن بدن بیمار ، یک گانتری که سر بیمار در آن قرار می‌گیرد، یک منبع تولید اشعه ایکس ، سیستمی برای آشکار کردن تشعشع خارج ‌شده از بدن ، یک ژنراتور اشعه ایکس ، یک کامپیوتر برای بازسازی تصویر و کنسول عملیاتی که تکنولوژیست رادیولوژی بر آن قرار می‌گیرد، تشکیل شده است.

اصول کار دستگاه سی‌تی اسکن

پس از اینکه بدن بیمار بر روی میز و سر آن در گانتری قرار گرفت و شرایط دستگاه بر حسب ناحیه مورد تصویر برداری تنظیم شد، یک دسته پرتو ایکس توسط کولیماتور (محدودکننده دسته اشعه) به صورت یک باریکه در آمده و از بدن بیمار رد می‌شود (پالس می‌شود). مقداری از انرژی اشعه هنگام عبور از بدن جذب و باقیمانده اشعه با عنوان پرتو خروجی که از بدن بیمار عبور می‌کند توسط آشکار سازی که مقابل دسته پرتو ایکس قرار دارد، اندازه ‌گیری شده و بعد از تبدیل به زبان کامپیوتری در حافظه کامپیوتر ذخیره می‌شود. بلافاصله پس از اینکه اولین پالس اشعه بطرف بیمار فرستاده و اندازه‌گیری شد و لامپ اشعه ایکس یک حرکت چرخشی بسیار کم انجام داد، دسته پرتو ایکس دوباره پالس شده ، مجددا اندازه‌گیری می‌شود و در حافظه کامپیوتر ذخیره می‌گردد.

این مرحله چند صد یا چند هزار بار بسته به نوع دستگاه تکرار می‌شود تا تمام اطلاعات مربوط به عضو مورد نظر در حافظه کامپیوتر ذخیره شود. کامپیوتر میزان اشعه‌ای را که هر حجم معینی از بافت جذب می‌کند، اندازه ‌گیری می‌کند. این حجم بافتی را واکسل (Voxel) می‌نامند که مشابه چند میلیمتر مکعب از بافت بدن می‌باشد. در سی ‌تی ‌اسکن یک لایه مقطعی از بدن به این واکسلهای ریز تقسیم می‌شود، که با توجه به مقدار جذب اشعه‌ای که توسط هر کدام از این واکسلها صورت می‌گیرد، یک شماره نسبت داده می‌شود. این شماره‌ها نیز بر روی تصویر که بر صفحه تلویزیون مانند کامپیوتر می‌افتد، یک چگالی با معیار خاکستری (از سفید تاسیاه) اختصاص داده می‌‌شود.

نمایش هر کدام از واکسلها را بر روی مونیتور یک پیکسل (Pixl) می‌گویند. یعنی واکسلها حجم سه بعدی و پیکسلها دو بعدی می‌باشند و هر چه تعداد پیکسلها بر روی مونیتور بیشتر باشد تصویر واضح‌تر و قابل تفکیک‌تر است. اعدادی که با توجه به مقدار جذب اشعه به هر بافت اختصاص داده می‌شود، را اعداد سی ‌تی یا اعداد هانسفیلد می‌نامند. بطور مثال بافت چربی کمتر از بافت عضلانی و بافت عضلانی کمتر از بافت استخوانی اشعه را جذب می‌کند. بنابراین بطور مثال استخوان 400+ ، آب صفر و چربی 50 و هوا 500 می‌باشد که هر چه مقدار این اعداد کمتر باشد، بر روی فیلم سی‌تی اسکن آن قسمت طبق معیار خاکستری بیشتر به سمت سیاهی تمایل دارد و برعکس هرچه عدد سی‌ تی مثل استخوان بالا باشد تصویر به سمت سفیدی تمایل دارد. گاهی برای مشخص ‌تر شدن اعضایی که دارای چگالی شبیه به هم هستند از مواد کنتراست‌ زا استفاده می‌شود که تفاوت را به خوبی مشخص کند.

کاربرد

تشخیص بیماریهای مغز و اعصاب

چون سی ‌تی اسکن می‌تواند تفاوت بین خون تازه و کهنه را به تصویر بکشد، به همین دلیل برای نشان دادن موارد اورژانس بیماریهای مغزی بهترین کاربرد را دارد.

بیمارهای مادر زادی مانند بزرگی یا کوچکی جمجمه .

تشخیص تومورهای داخل جمجمه‌ای و خارج مغزی .

خونریزی در قسمت‌های مختلف مغز و سکته‌های مغزی .

تشخیص بیماری اعضای داخل شکمی مانند کبد ، لوزالمعده ، غدد فوق کلیوی.

بررسی بیماریهای ریه.

مقدمه

موشک کروز جنگ افزاری است که پیدایش و توسعه را باید از تعریف و توصیف آن جستجو کرد. تاریخچه موشک که پیدایش آن به جنگ بزرگ اول بر می‌گردد اشاره می‌نماییم. باید گفت یکی از پیشرفتهای عمده تسلیحاتی جنگ بزرگ دوم را می‌توان پیدایش موشکهای آزاد پرواز هدایت نشده) که در زمره سلاحهای کمکی توپخانه به شمار می‌آمدند دانست و اولین کشوری که در این مورد پیشگام بوده کشور اتحاد جماهیر شوروی سابق است که در سال 1309 با نظارت مهندس پتروپاولوسکی در آزمایشگاه دینامیک گاز شهر لنینگراد آغاز گردید. ضمنا در همان سال 1309 طرح پژوهش موشک در کشور آلمان بطور محرمانه و با نظارت سازمان پخش سلاح ارتش نازی آلمان در 35 کیلومتری شهر برلین آغاز گردید.

در سالهای بعد کشورهایی مانند انگلستان ، آمریکا ، فرانسه و ... نسبت به تهیه و تحقیق و تولید و توسعه موشک اقدام نمودند و اما ادامه بحث را تنها در مورد موشک کروز که به معنای جستجوگر ، گشت دریائی و ماجراجو و دیگر مفاهیم و اصطلاحات نظامی است پیگیری می‌کنیم و با توجه به عوامل مهمی چون صرفه اقتصادی ، دقت ، قابلیت انعطاف پذیری در سکوی پرتاب و مأموریت که دلیل گسترش فراوان این موشک در دنیا گردیده است.

کاربردها

برابر گزارشهای اخیر وزارت جنگ آمریکا در مجله جینس/دیفنس (اول می 1996) ، هم اکنون یکصد و سی نوع موشک کروز در سرتاسر جهان در اخیتار 75 کشور قرار دارد که در 19 کشور مختلف ساخته می‌شوند. انگیزه اصلی سیاسی و نظامی برای گسترش فزآینده موشک های کروز ، توجیه پذیری بیشتر آنهاست و در حال حاضر بیش از نیمی از سیستمهای موشکی کروز در سرتاسر دنیا در حال تکمیل و توسعه برای حملات زمینی ، پیش بینی و پیکربندی می‌شوند.

تا همین اواخر ، موشکهای کروز به عنوان جنگ افزارهای هسته‌ای با حداکثر برد متجاوز 500 تا 600 کیلومتر تعریف می‌شدند و اما کاربرد عمومی آنها این تعریف را از دیدگاه کارشناسان نظامی و صنایع دفاعی گسترده‌تر ساخته و به گونه‌ای که طیف وسیعی از موشکها را در بر می‌گیرد، از جمله موشک استیکس P - 15) ss - N - 2) روسیه و کرم ابریشم چینی (CssC - 2) و اگزوست فرانسوی (MM - 38/40) و هاریون آمریکایی (RGM/UGM - 84) هر موشک کروز را می‌توان با چهار ویژگی اصلی تعریف کرد و این موشک را از نیروی باددنشی (آیرودینامیکی) در طبقات پایین جو (زیر 30 کیلومتر تا 100000 پا) استفاده می‌نمایند.

قابلیتها و عملیات انجام گرفته

موشک کروز در حین پرواز قادر به تغییر ارتفاع و مسیر بوده و این عمل را می‌تواند چند دفعه تکرار کند. موشک حاصل سر جنگی در یک پرواز یک سو با بردی متجاوز از 50 کیلومتر بسوی هدفش می‌رود. موشکهای کروز را می‌توان از طیف گسترده‌ای از سکویی با بردهای متجاوز از 50 تا 300 کیلومتر پرتاب کرد. این موشکها کوچکتر از هواپیما بوده ولی از فن شناخت هواپیما استفاده شده است.

موشکهای کروز کوچکتر و ارزانتر از موشکهای پرتابی (بالستیک) بوده و بطور معمول قیمتی بین 10 تا 25 درصد هزینه یک موشک پرتابی با برد و محموله‌ای مشابه دارند و با پیدایش دستگاه تعیین موقعیت جهانی برای هواپیماها و سازگاری آنها برای کاربردی موشکها از قرار معلوم موشکهای کروز در بردهایی مشابه ، دقت بهتری از موشکهای پرتابی دارند. علت و انگیزه گسترش رشد و فزآینده موشکهای کروز در سه و چهار ساله اخیر پرواز موشکهای کروز آمریکایی تاماهاوک (بی جی ام - 109) در طی جنگ خلیج فارس بسوی هدفهایشان در بغداد بود.

در جنگهای اخیر چندین طرح و نمونه موشکهای کروز علیه یکدیگر بکار رفته است و از جمله موشک استیکس روسی ( SS - N -2) توسط مصر علیه اسرائیل غاصب در سال 1346 و در سال 1350 هند علیه پاکستان بکار رفته و همچنین کپی موشکهای طرح استیکس. موشکهای پدافند سحلی (CCssC-2) با نام کرم ابریشم و (CssC-3) با نام سیرساکر و مدلهای کشتی پرتاب (Css-N-1) اسکراب براش می‌باشد و موشک (Css-N-2) سف فلار در جنگ تحمیلی هشت ساله حکومت بعثی عراق علیه ایران اسلامی بکار رفت.

ضمنا کشور عراق با همین موشکها در سال 1370 کشتیهای متحدین غربی را هدف گرفته است. آمریکا از همین نوع موشک در سال 1365 بر ضد کشور لیبی استفاده کرد و مردم بسیاری را کشت. رویدادهای چند ساله اخیر به روشنی نشانگر رشد و توسعه موشکهای کروز در کشورهایی بود که تا سال 1370 علاقه بیشتری نسبت به توسعه موشکهای پرتابی ابراز می‌داشتند.

یادآور می‌شود موشک کروز سطح به سطح بوده است، "ضمنا تعداد 44 فروند از این نوع موشکها در روزهای 13 و 14 شهریور ماه 75 از سوی نیروهای آمریکایی در خلیج فارس به اطراف شهر بغداد (مرکز نظامی عراق) شلیک گردید." تعدادی از آنها در سکوی پرتاب آتش نشده ، تعدادی نیز عمل نکرده است و شماری نیز دقت کافی نداشته است و به هر حال جان عده‌ای از مردم بی‌گناه با این موشکها گرفته شده است.

هدایت موشکهای کروز امروزی توسط کامپیوتری که در آن‌ها قراردارد انجام می‌شود. در این کامپیوترها مدلی از زمین و پستی و بلندی‌های آن تا هدف وجود دارد و موشک کروز با استفاده از سیستم موقعیت‌یاب ماهواره‌ای (مانند جی‌پی‌اس) و با حرکت در نزدیکی زمین و تغییر مکرر ارتفاع و مسیر خود به هدف می‌رسد. ردیابی و انهدام موشکهای کروز با کلاهک اتمی به دلیل پرواز نزدیک به زمین برای سیستمهای ردیاب و رادار مشکل است و به این دلیل جزو سلاحهای هسته‌ای استراتژیک محسوب می‌شوند.

موشک کروز برای مخفی ماندن از دید سیستمهای راداری دارای دو خصوصیت است:

1. سطح مقطع راداری کمی دارد که ردیابی آنرا برای سیستمهای ضد موشکی راداری مشکل می‌کند.
2. بخاطر استفاده از موتور توربوفن ، حرارت کمی تابش می‌کند و در نتیجه امکان قفل حرارتی روی آن نیز کم است.

معایب

این موشک در عین داشتن تکنولوژی بالا در مقابل انواع ضعیفتری از مبارزات الکترونیکی شکننده می‌باشد. به معنای دیگر در جنگ الکترونیکی می‌توان با ارسال پالسهای مخرب حاوی اطلاعات غلط (غیر حقیقی یا مجازی ) آن را مورد هدف قرار داد، بدین صورت که بلندیها را پست و پستیها را ارتفاع نشان داد. در این حال مسیر حرکت موشک تغییر می‌کند، اما باز می‌توان فرکانس ارسالی ماهواره را برای موشک شناسایی نمود و به آن دستورات اشتباه داد.

همچنین می‌توان آن را در بدو شلیک به کنترل خود درآورد، این امر بسیار ساده است. موشک کروز دارای دو بالچه قلاب‌دار است که به آن امکان سر خوردن و دوام بیشتر پروازی را می‌دهد، اما در صورت عبور از هدف به علت سرعت بالا و داشتن پایانه سوختی دائم سوز نمی‌تواند مسیر رفته را باز گردد، که این هم از ضعفهای آن می‌باشد.

این سامانه از سایت پرتاب در ناوها به علت سرعت در شلیک و تعدد پایانه‌های پرتابی به خوبی استفاده می‌گردد، چون ناو یک هدف متحرک است یافتن آن و هدف قرار دادنش سخت و گاهی غیر ممکن می‌باشد. از مزایای این پرتابه می‌توان به شیرجه رفتن آن بر روی هدف اشاره کرد که این امر نشان دهنده کاربرد آن در زدن اهداف ثابت همچون ساختمانها و سدها و سنگرها نام برد.

موشکهای کروز در کشورهای مختلف

• کره شمالی: این کشور نوعی موشک استیکس (کرم ابریشم) را در تیرماه 1363 با برد 160 کیلومتر آزمایش کرد. موشک نخستین ، از این خانواده است و در اوایل دهه پ350 از چین وارد کره شمالی گردید و کره شمالی در اواخر دهه 1360 فن شناخت ساخت آن را بدست آورد.
  
  
• چین: این کشور موشک (اچ- وای-ا) (سی-801- ساردین) و یا (سیss-ان-4) شبیه موشک اگزوست را در دهه 1350 توسعه داد و آن را در سال 1363 عملیاتی کرد و سپس نمونه بعدی آن موسوم به (اچ-وای-2) کمه آن (سی-802) است، با موتور توربوجت با برد 120 کیلومتر تولید نمود. این موشکهای ضد کشتی را می‌توان از زمین ، کشتی ، زیر دریایی یا هواپیما پرتاب کرد. چین تعدادی از زیردریاییهای رده رومشووهان حود را برای حمل و پرتاپ موشکهای (سی-801) از محفظه‌های خارجی سازگار کرده و همچنین عمل را برای (ی-802) توسعه داد. ضمنا برابر گزارش مجلات دفاعی دنیا از چین حاکی است که در سال 1373 توسعه نمونه بزرگتر از موشک (اچ- وای-2) با برد 180 کیلومتر در جریان است و مجددا این کشور آزمایش پروفاز یک نوع موشک کروز را با برد 600 کیلومتر به اتمام رسانده است.
  
  
• تایوان: این کشور همانند دیگر کشورها ، موشکهای هیوفنک که عمدتا تقلیدی از موشکهای دیگر آغاز شده و هیوفنک-2 شباهت کمی به موشکهای پیش داشته و در واقع بیشتر شبیه موشکهای هاریون (آرجی ام-84) آمریکایی است و اما این موشک هسیوفنک-2 دارای جوینده‌های دو منظوره فعال و فرو سرخ برای حمله نهایی و با بردی حدود 80 کیلومتر می‌باشد و ضمنا کشور تایوان نوع هیوفنک-3 را در مرحله توسعه دارد و احتمالا با برد بیش از 300 کیلومتر خواهد بود.
  
  
• هند: توسعه موشکهای کروز در هند چندین سال است که در حال بررسی بوده و برنامه‌های توسعه شامل نصب یک سر جنگی روی نمونه پرنده بدون خلبان لاکشیا است که توانایی یک موشک کروز را با بردی حدود 600 کیلومتر ارائه می‌دهد و شکور هند برنامه دیگری موسوم به کورال شامل نوع هندی موشک (اس اس-ان-2) (سان برن) برای نصب روی ناوشکن در پیش دارد و طرح دیگر هند موسوم به ساگریکا که یک موشک کروز زیردریایی یا کشتی پرتاب با برد حدود 300 کیلومتر دارد.
  
  
• پاکستان: این کشور بیشتر دارای موشکهای هاریوهن و اگزوست بوده و اخرا کشور پاکستان موشکهای کروز چینی (کرم ابریشم) و موشکهای (اچ-2) و (اچ-3) آفریقای جنوبی را به خدمت گرفته است.
  
  

روسیه: کشور روسیه برنامه‌های طراحی و توسعه چندین موشک جدید کروز را در دست اجرا دارد که برنامه‌ها عبارتند از:

1. موشک کروز فراصوت آلفا با برد 600 کیلومتر.
2. طرح دیگری موسوم به (3-51ام) با یک موشک دو مرحله‌ای ضد کشتی که یک مجموعه سرجنگی فراصوت جدا شونده دارد و طرحهای یاخوبت و بشسن با موتورهای رم جت با بردی تا 300 کیلومتر.
3. موشک (خ-101) برای جایگزینی موشک (ا-اس-15) کنت، با برد 300 کیلومتر در دست دارد.
   
   و ضمنا جمهوریهای اتحاد شوروی سابق بزرگترین زرادخانه موشکهای کروز را در اختیار دارند و اکثر این موشکها زیر نظر روسیه می‌باشد و اما اوکراین و روسیه سفید و قزاقستان دارای موشکهای کروز هوا پرتاب در تسلیحات نیروی هوایی خود هستند.
   
   

• فرانسه: یکی از چشم گیرترین برنامه‌های جدید با سرمایه گذاری رسمی دولتی طرح آپاچی است که رسما در آذر ماه سال 1373 اعلام شد که سه نوع از موشک کروز است و قرار شده تولید گردد و طرح آپاچی در واقع یک محفظه مربع شکل با توانایی حمل مهمات خوشه‌ای با یک سر جنگی منفرد با مجموعه هدایتی در نوک دماغه و یک موتور جت در عقب موشک است و مدل اصلی آپاچی با برد 140 کیلومتر و حمل یک محموله 520 کیلوگرمی است.
  
  مرحله دوم و نمونه ضد تاسیات زیر بنایی آپاچی (آ-آی) بسته به میزان حمل محموله بابردی بیش از 15- تا 400 کیلومتر خواهد داشت و مرحله دوم موسوم به اسکالپ دارای بردی بیش از 400 تا 600 کیلومتر خواهد بود، موشکهای اولیه که تولید می‌شوند توسط هواپیما حمل خواهند شد و احتمال دارد بعدها برای پرتاب از کشتی یا زمین سازگار شود.

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.

هم ارزی جرم و انرژی (Energy ~ Mass)

‌نظریات اولیه

تا چندی پیش دو اصل کلی و مستقل از یکدیگر پایه دانش جدید را تشکیل می‌داد: یکی اصل بقای جرم بود و دیگری اصل بقای انرژی در نیمه دوم قرن هجدهم میلادی لاوازیه دانشمند فرانسوی پس از یک سلسله تجربیات دریافت که مقدار جرم مادی که در فعل و انفعالات شیمیائی دخالت دارند همواره ثابت می‌ماند و این مشخصه مواد را در قانون زیر به نام قانون بقای جرم خلاصه نمود.

بیان لاووازیه از قانون بقای جرم و انرژی

هیچ جرمی معدوم نمی‌شود و هیچ جرمی نیز از عدم بوجود نمی‌آید و یا به عبارت دیگر مقدار جرم مادی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است اصل بقای انرژی می‌گوید؛ انرژی هر دستگاه معین مقدار ثابتی دارد، نمی‌توان انرژی را خلق کرد و نه آنرا از بین برد، فقط اقسام آن می‌توانند به یکدیگر تغییر شکل دهند.

هرگاه جسمی انرژی آزاد کند همزمان جرم آن نیز کاهش می‌یابد.

نظریات مدرن

در اوایل قرن بیستم یعنی در سال 1905 نظریه نسبیت (Theory of Relativity) آلبرت انیشتین خدشه‌ای به دو اصل فوق الذکر وارد ساخت زیرا یکی از نظریات نسبیت این است که جرم و انرژی مانند بخار آب و آب که دو شکل مختلف از یک ماده هستند یک چیز واحد بوده و قابل تبدیل به یکدیگر می‌باشند. بنابراین مقدار جرم مادی را که در عالم وجود دارد نمی‌توان ثابت دانست، بلکه از تطبیق نظریه نسبیت با اصل بقای جرم و اصل بقای انرژی می‌توان قانون کلی تری نتیجه گرفت که مطابق آن:

" مجموع جرم مادی و مقدار انرژی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است."به عقیده آلبرت انیشتین مقدار E که معرف انرژی است و از کلمه لاتین Energy اقتباس شده است، یعنی انرژی هم ارز با جرم m بوسیله رابطه زیر بیان می‌گردد E = m c² که در آن E انرژی و m جرم و C سرعت نور در خلا می‌باشند.

داده‌های آماری

• چنانچه در رابطه اخیر بجای حروف اعداد واقعی بکار بریم، عظمت و قدرت نیروی هسته‌ای آشکار می‌گردد. نیروی حاصله به این دلیل بزرگ است که سرعت سیر نور بسیار و برابر سیصد هزار کیلومتر در ثانیه است. بنابراین ضریب c² بسیار رقم بزرگی می‌باشد و اگر آنرا در دستگاه C.G.S یعنی سانتیمتر - گرم - ثانیه حساب کنیم چنین می‌شود: c² = 9X10²⁰ ملاحظه می‌کنید که چه عدد غول پیکری است و ما آنرا به شکل طولانی خودش نمی‌نویسیم و خیلی راحتتر است، که فرم توانی آنرا به کار ببریم. اگر فرض کنیم که فقط یک گرم از جرم به انرژی تبدیل شود (m = 1 gr)، مقدار E یعنی انرژی (کار) برابر با: 9X10²⁰
  اگر این انرژی تبدیل به انرژی الکتریکی نماییم مقدار آن برابر 25 گیگا وات در ساعت الکتریسته خواهد شد و این مقدار انرژی می‌تواند یک لامپها 30 واتی را برای مدت 100 سال روشن نگه دارد. بنابراین ناپدید شدن مقدار ناچیزی از جرم باعث ظهور مقدار زیادی انرژی است که درک قدرت آن دشوار است، برای درک بیشتر و بهتر مثال دیگری را ببینید:
  
  
• چنانچه جرم را یک کیلوگرم انتخاب کنیم فرقی نمی‌کند که چه ماده‌ای در نظر گرفته شود، انرژی حاصل از تبدیل آن 25000 گیگا وات ساعت خواهد بود، اگر این مقدار انرژی را با سایر واحدها مقایسه کنیم درک آن آسانتر می‌شود. ناپدید شدن یک کیلوگرم ماده معادل سوختن 1600 میلیون لیتر بنزین و یا 3300 کیلو تن ذغال سنگ انرژی می‌دهد.

مفهوم فیزیکی قانون هم ارزی جرم و انرژی

باید بدانید که رابطه E = m c² چگونگی تبدیل یک کیلو گرم آب به انرژی را بیان نمی‌کند بلکه فقط اصلی است که هم ارزی جرم و انرژی را بیان می‌کند، نه اینکه جزئیات نحوه تبدیل آنها را آشکار سازد. رابطه اخیر ایجاب می‌کند که برای انرژی نیز جرمی قائل شویم . انرژی گرمایی که ضمن احتراق بدست می‌آید دارای جرم است، ولی این جرم به اندازه‌ای کوچک است که حتی با دقیقترین ترازوها نمی‌توان آنرا سنجید مثلا چند نانوگرم (بیلیونوم گرم) در مورد احتراق 12 گرم ذغال. اگر بوسیله حرارت یک تن آب صفر درجه را به 100 درجه برسانیم یعنی به آن 100 میلیون کالری انرژی بدهیم جرم آن فقط 0.004 میلیگرم اضافه می‌شود

انرژی آزاد شده در واکنشهای شکست هسته‌ای اتمی عناصر سنگین «اورانیم ، پلوتونیم) ، یا انرژی حاصل از همجوشی هسته اتمی عناصر سبک «هیدروژن) و تبدیل آنها به هسته عناصر سنگین ، انرژی هسته‌ای نام دارد. عنوان مذکور نسبت به اصطلاح انرژی اتمی از نظر علمی صحیحتر و دقیقتر می‌باشد. جهت دیگری که استفاده از توان هسته‌ای به مقیاس وسیعی به طرف آن سوق یافته تولید انرژی الکتریکی از انرژی رها شده در عمل شکافت است.

تقریبا در تمام سیستمهای تولید توان هسته‌ای موجود ، راکتور هسته‌ای منبع گرما برای به کار انداختن توربینهای بخار است، این توربینها مولدهای الکتریکی را درست به همان گونه به حرکت در می‌آورند که توانگاههای نفت سوز یا زغال سنگ عمل می‌کنند. در یک نیروگاه هسته‌ای معمولی ماده شکافت پذیر به جای زغال سنگ یا نفت به کار می رود و بنابراین یک منبع جدید انرژی به صورت الکتریسیته فراهم می‌گردد.

استفاده مفید از همجوشی هسته‌ای:

• واکنشهای همجوشی در آزمایشگاه از طریق بمباران مواد سبک مناسبی که به عنوان هدف قرار می‌گیرند با مثلا ، دوترونهایی پر انرژی که از یک شتابدهنده ذرهای پرتاب می‌شوند. تولید می‌گردد. در این واکنشها ، هسته‌هایی تولید می‌شوند که هم از هسته‌ها "پرتابه‌ها" و هم از هسته‌هایی که هدف قرار گرفته، سنگینترند. البته در این واکنشها تعدادی ذرات اضافی و تعدادی انرژی آزاد می‌شود.

• در واکنش همجوشی معروفی ایزوتوپی از هیدروژن با عدد اتمی A=3 از جوش خوردن هیدروژنهای اتمی که تریتیم نامیده می‌شود، تولید می‌شود. تریتیم که به تعداد ناچیز در طبیعت یافت می‌شود. رادیواکتیو بوده و نیم عمر آن حدود 12 سال است. تریتیم پس از گسیل ذره بتا به ³₂He که ایزوتوپی از هلیم است تباهی می‌یابد.

• هرگاه هدفی شامل تریتیم با دوترون بمباران شود، ⁴₂He تولید و MeV17.6انرژی آزاد می‌گردد. از این انرژیMeV 14.1 به صورت انرژی جنبشی نوترون و 3.5MeV به صورت انرژی جنبشی هسته تولید شده ظاهر می‌گردد. همجوشی تریتیم و دوتریم امکان فراهم آمدن منابع بزرگی از انرژی را برای ، مثلا ، توانگاه‌های الکتریکی به دست می‌دهد. دوتریم در آب وجود دارد. فراوانی آن حدود یک در هفت هزار اتم هیدروژن است و می‌توان آن را ایزوتوپ سبکتر خود جدا کرد.

• چهار لیتر آب حدود 0.13gr دوتریم دارد، که امروزه می‌توان با هزینه حدود 8% دلار آن را جدا کرد. اگر این مقدار کم دوتریم بتواند در شرایط مناسب با تریتیم (که احتمالا با واکنش مورد بحث فوق تشکیل شده باشد) ترکیب شود. برونداد انرژی آن معادل انرژی حاصل از حدود 1140 لیتر بنزین خواهد بود. مقدار کل دوتریم موجود در اقیانوسها بالغ بر حدود 10¹⁷Kg و محتوای انرژی آن حدود 10²⁰ کیلو وات در سال است. اگر بتوانیم دوتریم و تریتیم را برای تولید انرژی مورد استفاده قرار دهیم، منبع عظیمی از انرژی فراهم می‌شود.
  

چرا سهم بزرگی از انرژی هدر می‌رود؟

آزاد شدن انرژی زیاد با فرآیند همجوشی برروی زمین ، تاکنون فقط به وسیله انفجارهای آزمایش‌های مربوط به گرما هسته‌ای از قبیل بمبهای هیدروژنی ممکن بوده‌است. یک بمب هیدروژنی مرکب از مخلوطی از عناصر سبک با یک بمب شکافتی است. ذرات پرانرژی که به وسیله واکنش شکافت ایجاد می‌شود. به عنوان آغازگر واکنش همجوشی به‌کار می‌آید.

انفجار یک بمب شکافتی دمایی در حدود 5x10⁷˚K تولید می‌کند. که برای ایجاد واکنش همجوشی کافی است. به دنبال آن واکنشهای همجوشی مقادیر عظیمی انرژی اضافی آزاد می‌کنند. انرژی رها شده کل بسیار بیشتر از آن خواهد بود که از بمب شکافتی ، به تنهایی آزاد می‌شود. علاوه بر این ، برای اندازه بمبهای شکافتی نوعی حد بالا وجود دارد. که در ماورای آن قدرت تخریبی این بمبها خیلی بیشتر می‌شود. (زیرا ماده شکافتپذیر اضافی آنها پیش از آنکه بتواند دچار شکافت شود، پراکنده می‌گردد) اما برای اندازه سلاحهای هیدروژنی چنین حدی وجود ندارد و بنابر این قدرت تخریب آن محدودیت ندارد.

پیامدهای انرژی هسته‌ای:

عناصر طبیعی یا مصنوعی که هسته اتمی آنها تحت تاثیر بمباران نوترون مستعد شکست می‌باشد. در این عمل تعداد بیشتری نوترون (دو یا سه) نسبت به آنچه که در شکست مصرف شده، آزاد می‌گردد و شبیه شکل گرفتن بهمن برفی ، یک واکنش زنجیری شکست در این مواد شروع می‌شود. این مواد شامل اورانیم 235 ، پلوتونیم 239 ، اورانیم 233 و اورانیم 238 می‌باشد. در مورد واکنشهای حرارتی ـ هسته‌ای کنترل شده (ترکیب هسته‌های اتمی عناصر سبک و تبدیل آنها به هسته عناصر سنگینتر) ، سوخت هسته‌ای شامل تمام ایزوتوپهای هیدروژن «پروتنیوم ، دوتریم ، تریتیوم) و نیز لیتیوم می‌گردد.

استفاده مفید از سوخت شکافت هسته‌ای:

شکافت هسته‌ای نمونه‌ای از یک نتیجه غیر منتظره عملی بسیار مهمی است که در جریان یک کار پژوهشی حاصل شد. کار پژوهش مذکور به دلایل متعددی صورت می‌گرفت ولی هیچ یک با امکان مفید بودن کشف مورد نظر ارتباطی نداشت. این کشف همچنین نمونهای بسیار عالی از به کارگیری همزمان روشهای فیزیکی و شیمیایی در تحقیقات هسته‌ای و سودمندی کار جمعی است. پس از آنکه ژولیو کوری و ماری کوری نشان دادند بعضی از محصولات واکنش های هسته‌ای رادیواکتیواند.

فرمی و همکاران او در ایتالیا عهده دار شدند تا مطالعه‌ای سازمان یافته درباره آن گونه واکنشهای هسته‌ای که با نوترون القا می‌شوند. به عمل آوردند. فرمی در سال 1934 دریافت که بمباران اورانیم با نوترون واقعا عناصر رادیواکتیو جدیدی در هدف تولید می‌کند که با گسیل پرتوها و فعالیت تباهی و نیم عمرهای نسبتا کوتاه که مشخصه جدید بودن آنها بود، معلوم می‌شد. در بدو امر تصور می‌رفت که این عناصر جدید همان عناصر ماورای اورانیم فرضی باشند. انرژی آزاد شده در شکافت هسته در حدود 200MeV است.

این مقدار انرژی را یا از طریق مقایسه جرمهای سکون مواد ترکیب شونده و مواد تولید شده یا از طریق منحنی انرژی اتصال می‌توان حساب کرد. انرژی آزادشده در عمل شکافت 20 برابر بیشتر از واکنش های هسته‌ای معمولی است که معمولا کمتر از 10MeV است و همچنین بیش از یک میلیون مرتبه بزرگتر از واکنش های شیمیایی است. در شرایط مناسب نوترونهای آزاد شده در عمل شکافت می‌تواند به نوبه خود ، موجب شکافت در اتمهای اورانیم مجاور خود شوند، و در این صورت فرآیندی که معروف به واکنش زنجیری است در یک نمونه اورانیم صورت می‌گیرد. ترکیبی از رهایی انرژی بسیار زیاد در عمل شکافت و امکان واکنش زنجیری مبنایی است برای استفاده بزرگ مقیاس از انرژی هسته‌ای.

پیامدهای شکافت هسته‌ای:

استفاده از انرژی هسته‌ای به مقیاس زیاد بین سالهای 1939 ، تا 1945 در ایالات متحده انجام شد. این امر زیر فشار جنگ جهانی دوم به صورت نتیجه تلاشهای مشترک عده کثیری از دانشمندان و مهندسان صورت گرفت. دست اندرکارانی که در ایالات متحده به این کار اشتغال داشتند آمریکایی ، بریتانیایی ، و پناهندگان اروپایی کشورهایی بودند که زیر سلطه فاشیسم بود. تلاش آنان ، این بود که پیش از آلمانیها به یک سلاح هسته‌ای دست یابند.

در طول جنگ جهانی دوم از راکتورهای هسته‌ای برای تولید مواد خام نوعی بمب هسته‌ای ، یعنی برای ساختن ²³⁹Pu از ²³⁸U استفاده می‌شد. طراحی این راکتورها به گونهای بود که بعضی از نوترونهای حاصل از شکافت اتمی ²³⁵U به قدر کافی کند می‌شدند و موجب بروز شکافت در اتمهای ²³⁸U نمی‌شدند. (در اورانیم طبیعی ، فقط حدود 75. 0% اتم‌های ²³⁵U وجود دارد) در عوض ، نوترونهای مذکور از طریق واکنشهایی که در بخش قبل بیان شده به وسیله ²³⁸U جذب شده و هسته‌های ²³⁹Pu را تشکیل می‌دادند.