فیزیک علم شناختن قانون های عمومی و کلی حاکم بر رفتار ماده و انرژی است. کوشش های پیگیر فیزیکدانان در این راه سبب کشف بسیاری از قانون های اساسی، بیان نظریه ها و آشنایی با بعضی پدیده های طبیعی شده است.

هرچند این موفقیت ها در برابر حجم ناشناخته ها، اندک است لیکن تلاش همه جانبه و پرشتاب دانشمندان امید بسیار آفریده که انسان می تواند رازهای هستی را دریابد. انسان در یکی دو قرن اخیر، با بهره گیری از روش علمی و ابزارهای دقیق توانسته است در هر یک از شاخه های علم، به ویژه فیزیک دنیای روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. در این مدت با دنیای بی نهایت کوچک ها آشنا شد و به درون اتم راه یافت و انواع نیروهای بنیادی طبیعت را شناخت، الکترون و ویژگی های آن را دریافت و طیف گسترده امواج الکترومغناطیسی را کشف کرد. فیزیک که تا اواخر قرن نوزدهم مباحث مکانیک، گرما، صوت، نور و الکتریسیته را شامل می شد، اکنون در اوایل قرن بیست و یکم در اشتراک با دیگر علوم (مانند شیمی، زیست شناسی و...) روزبه روز گسترده تر و ژرف تر شده و بیش از ?? موضوع و مبحث مهم را دربر گرفته است (دانشنامه فیزیک تعداد شاخه های فیزیک را ?? مورد معرفی کرده است).

فناوری، چگونگی استفاده از علم، ابزار، راه و روش انجام کارها و برآوردن نیازها است. به عبارت دیگر فناوری به کارگیری آگاهی های انسان برای تغییر در محیط به منظور رفع نیازها است. اگر علم را فرآیند شناخت طبیعت تعریف کنیم، فناوری فرآیند انجام کارها خواهد بود. زندگی در گذشته (تا حدود یکصد سال پیش) ساده و ابتدایی بود و کارها با ابزارهای ساده و روش های اولیه انجام می شد. کشاورزی، حمل ونقل، تجارت، ساختمان سازی با روش های سنتی و ابزارهایی که در طول زمان از راه تجربه به دست آمده بود، صورت می گرفت.

گرچه انسان به برخی از قانون های طبیعی دست یافته بود، لیکن علم و عمل کمتر اثر متقابل در یکدیگر داشتند. دانشمندان راه خود را می پیمودند و صنعتگران و ابزارکاران به راه خود می رفتند تا آنکه عصر جدید آغاز شد و تمدنی به وجود آمد که در آن همه چیز در راه مصالح زندگی انسان و توانایی او به کار گرفته شد.

در سال ???? میلادی «جامعه سلطنتی لندن» تاسیس شد و هدف خود را ارتقای سطح علوم مربوط به امور و پدیده های طبیعی و هنرهای مفید از طریق آزمایش و تجربه به نفع «ابنای بشر» انتخاب کرد. چهار سال بعد فرهنگستان علوم فرانسه در پاریس شکل گرفت و بر مفید واقع شدن علم تاکید فراوان شد. اعضای این فرهنگستان برای هرچه بهتر به ثمر رساندن تحقیقات علمی در زندگی انسان، به تلاش پرداخته و از این بابت حقوق دولتی دریافت می کردند.

در سال ???? موزه علوم لندن با نام «هیات معتمدین دایره علم و هنر و موزه ملی علم و صنعت» گشایش یافت اما نزدیک تر شدن علم و صنعت سبب شد در سال ???? بخش های مختلف این موسسه درهم ادغام شود و سازمان جدیدی با نام «دایره علوم کاربردی و تکنولوژی» تاسیس شود. علم، کوششی برای کسب دانایی و فناوری تلاشی در جهت توانایی است. این هر دو اثر متقابل درهم داشته اند. دانش سبب شد که ابزارها و روش ها کامل تر شوند و ابزارها نیز دقت انسان را در اندازه گیری ها و رسیدن به نتایج علمی بیشتر کرده است. اکنون بسیاری از موضوع ها و مباحث فیزیک پیامدهای کاربردی داشته و عملاً در فناوری ها موثر بوده است. فناوری های ارتباطات، فناوری های حمل ونقل (خشکی، دریایی، هوایی و فضایی)، فناوری های تولید (کشاورزی- صنعتی)، فناوری های استخراج انواع معادن و فناوری های ساختمان و انواع ماشین ها و فناوری های آموزشی وابسته به دانش مکانیک، الکتریسیته، الکترومغناطیس، ترمودینامیک، فیزیک هسته یی، نورشناسی، فیزیک بهداشت، فیزیک پزشکی و... است.

? نقش فیزیک در تشخیص بیماری ها

پزشکان برای تشخیص بیماری ها از انواع وسایل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشی طبی (استتوسکوپ) تا دستگاه های بسیار پیچیده مانند میکروسکوپ الکترونی، لیزر و هولوگراف (که همه براساس قانون های فیزیک طراحی و ساخته شده است) استفاده می کنند. در این قسمت به ساختمان و طرز کار برخی از آنها می پردازیم.

? رادیوگرافی و رادیوسکوپی

رادیوگرافی، عکسبرداری از بدن با پرتوهای ایکس و رادیوسکوپی مشاهده مستقیم بدن با آن پرتوها است. در عکاسی معمولی از نوری که از چیزها بازتابش می شود و بر فیلم عکاسی اثر می کند، استفاده می شود؛ در صورتی که در رادیوگرافی پرتوهایی به کار می برند که از بدن می گذرند.

پرتوهای ایکس را نخستین بار، «ویلهلم کنراد رنتیگن»، استاد فیزیک دانشگاه ورتسبورگ آلمان در سال ???? میلادی کشف کرد. این کشف بسیار شگفت انگیز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه های جهان منتشر شد. جالب است که رنتیگن بر روی پرتوهای کاتدی کار می کرد و به طور اتفاقی متوجه شد که وقتی این پرتوها که همان الکترون های سریع هستند به مواد سخت و فلزات سنگین برخورد می کنند، پرتوهای ناشناخته یی تولید می شود. او این پرتوها را پرتو ایکس به معنی مجهول نامید. پرتوهای ایکس قدرت نفوذ و عبور بسیار زیادی دارند. به آسانی از کاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتی فلزهای سبک مانند آلومینیوم می گذرند، لیکن فلزهای سنگین مانند سرب مانع عبور آنها می شود. اشعه ایکس از استخوان های بدن که از مواد سنگین تشکیل شده اند عبور نمی کند، در صورتی که از گوشت بدن به آسانی می گذرند. همین خاصیت سبب شده که آن را برای عکسبرداری از استخوان های بدن به کار برند و محل شکستگی استخوان ها را مشخص کنند. برای عکسبرداری از روده و معده هم از پرتوهای ایکس استفاده می شود، لیکن برای این کار ابتدا به شخص مایعاتی مانند سولفات باریوم می خورانند تا پوشش کدری اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس رادیوگرافی صورت می دهند . کشف پرتوهای ایکس به وسیله «رنتیگن» سرآغاز فعالیت های دانشمندانی مانند «تامسون»، «بور»، «رادرفورد»، «ماری کوری»، «پی یر کوری»، «بارکلا» و بسیاری دیگر شد، به طوری که نه فقط چگونگی تولید، تابش و اثرهای پرتو ایکس و گاما و نور شناخته شد، بلکه خود اشعه ایکس نیز یکی از ابزارهای شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بی نهایت کوچک ها آشنا کرد و انرژی عظیم اتمی را در اختیار بشر قرار داد.

پرتوهای ایکس در پزشکی و بهداشت برای پیشگیری، تشخیص و درمان به کار می رود، به طوری که در فناوری های مربوطه یکی از ابزارهای اساسی است.

? سونوگرافی

سونوگرافی عکسبرداری با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مکانیکی مانند صوت است که بسامد آن بیش از ?? هزار هرتز است. این امواج را می توان با استفاده از نوسانگر پیزوالکتریک یا نوسانگر مغناطیسی تولید کرد.

خاصیت پیزوالکتریک عبارت است از ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو طرف یک بلور هنگامی که آن بلور تحت فشار یا کشش قرار گیرد و نیز انبساط و انقباض آن بلور هنگامی که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی واقع شود. بنابراین هرگاه از یک بلور کوارتز تیغه متوازی السطوحی عمود بر یکی از محورهای بلور تهیه کنیم و این تیغه را میان دو صفحه نازک فولادی قرار دهیم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسیل متناوبی وصل کنیم، تیغه کوارتز با همان بسامد جریان، منبسط و منقبض می شود و به ارتعاش درمی آید و در نتیجه امواج فراصوت تولید می کند. پدیده پیزوالکتریک در سال ???? به وسیله «پی یر کوری» کشف شد و از آن علاوه بر تولید امواج فراصوتی، در میکروفن های کریستالی و فندک استفاده می شود. امواج فراصوتی دارای انرژی بسیار زیاد است و می تواند سبب بالا رفتن دمای بافت های بدن انسان، سوختگی و تخریب سلول ها شود. از این امواج در دریانوردی، صنعت و پزشکی استفاده می شود.

در پزشکی این امواج را برای تشخیص، درمان و تحقیقات به کار می برند. دستگاهی که برای عکسبرداری به کار می رود اکوسکوپ یا سونوسکوپ است. اساس کار عکسبرداری با امواج فراصوت بازتابش امواج است. در این عمل دستگاه گیرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهای میان یک میلیون تا پانزده میلیون هرتز استفاده می کنند. دستگاه مولد ضربه های موجی در زمان های بسیار کوتاه یک تا پنج میلیونوم ثانیه را حدود ??? ضربه در ثانیه می فرستد و این ضربه ها در بدن نفوذ می کند و چنانچه به محیطی برخورد کند که غلظت آن با محیط قبلی متفاوت باشد، پدیده بازتابش روی می دهد و با توجه به غلظت نسبی دو محیط، مقداری از انرژی ضربه های فراصوت بازتابش می شود. دستگاه گیرنده این امواج را دریافت می کند و به کمک دستگاه الکترونی و یک اسیلوسکوپ (نوسان نگار) آن را به نقطه یا نقاط نورانی به تصویر تبدیل می کند. عکسبرداری با فراصوت را برای تشخیص بیماری های قلب، چشم، اعصاب، پستان، کبد و لگن انجام می دهند.

? وسایل الکتروپزشکی

بخشی از وسایل تشخیص بیماری ها دستگاه هایی هستند که براساس قانون های مربوط به الکتریسیته و الکترونیک ساخته و به کار گرفته می شوند. نمونه یی از این دستگاه ها عبارتند از الکتروکاردیوگراف، الکتروبیوگراف و الکتروآنسفالوگراف. این دستگاه ها می توانند با رسم نمودارهایی وضع سلامت یا بیماری را برای پزشک مشخص کنند. ممکن است این دستگاه ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتیجه نمودارها مستقیماً بر روی یک صفحه تلویزیون مشاهده شود. نمونه این دستگاه ها کاردیوسکوپ است که معمولاً در اتاق بیمار قرار می گیرد و بر آن منحنی ضربان قلب بیمار مشاهده می شود. در الکتروکاردیوگراف به جای آنکه منحنی ها مستقیماً دیده شود، آن منحنی ها (نمودارها) روی نواری از کاغذ ثبت و ضبط می شود و پزشک از روی آنها می تواند وضعیت قلب و نوع بیماری را تشخیص دهد. الکتروآنسفالوگرافی دستگاهی است که با آن بیماری هایی چون صرع، تومورهای مغزی، ضربه، اعتیاد به دارو و الکل تشخیص داده می شود و کار این دستگاه با استفاده از فعالیت های الکتریکی که در سطح بدن ظاهر می شود، صورت می گیرد. اندازه گیری ها نشان می دهد که در قشر مغز، تغییرات پتانسیل الکتریکی منظمی انجام می شود. «این پتانسیل های الکتریکی به استثنای حالت بیهوشی عمیق یا قطع جریان خون به مغز، همیشه وجود دارند. هنگامی که قشر مغز خراب شود، این نقش تغییر می کند. با قرار دادن الکترودهای پهن یا الکترودهای سوزنی شکل روی پوست سر می توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدایت کرد. این امواج نتیجه پتانسیل های کار نورون های عصبی قشر مغزند که در سطح مغز ظاهر می شوند. خاصیت مهم این امواج بسامد آنها است. گستره معمولی این بسامد از یک تا ?? هرتز تغییر می کند. این امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل های تلاقی، شکل امواج و نقش هایی که دارند، ارزیابی می شوند.»

? تهیه طرح های سه بعدی از بدن

در سال های ???? تا ???? برای تشخیص بیماری ها چهار روش جدید ابداع شد؛

الف- گرمانگاری؛ نخستین روش گرمانگاری بود که در سال ???? عرضه شد. می دانیم که هر جسمی که دمایش بالاتر از صفر مطلق (منهای ??? درجه سیلیسیوس) باشد از خود امواجی تابش می کند که به نام امواج گرمایی معروف است. از این خاصیت یعنی انتشار امواج گرمایی از بدن انسان استفاده شده و اختلاف دمای قسمتی از بدن را به صورت تصویری رنگی تهیه می کنند. این روش برای تحقیق و بررسی رگ های خونی سطحی بدن مفید است و با آن می توان از وجود تومورها نیز باخبر شد.

ب-توموگرافی؛ پرتوهای ایکس می توانند از بافت های نرم بگذرند، لیکن میزان جذب یا عبور آنها به غلظت بافت بستگی دارد. چنانچه پرتو ایکس در مسیر خود از غده یی بگذرد، میزان جذب آن نسبت به وضعیتی که غده وجود نداشته باشد، تفاوت می کند. به کمک کامپیوتر می توانند تصویری را که از بدن گرفته اند، پردازش و اطلاعات دقیق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص کنند. عملی که با کمک پرتو ایکس و کامپیوتر برای تعیین غده ها صورت می گیرد را توموگرافی می نامند.

پ- هولوگرافی (تمام نگاری)؛ «دنیس گابور» فیزیکدان نوع جدیدی از عکاسی را در سال ???? ابداع کرد که بعداً در موارد گوناگون از جمله در پزشکی از آن استفاده شد. هولوگرافی بر خواص امواج متکی است و تصویری که از شیء گرفته می شود، سه بعدی است. در این طریقه تصویربرداری که از هر عضو بدن گرفته می شود، همه قسمت های اطراف آن عضو کاملاً دیده می شود. برای تهیه عکس سه بعدی معمولاً از پرتوهای لیزر استفاده می شود.

ت- دستگاه تشدید مغناطیسی (NMR)؛ اساس این دستگاه بر این خاصیت است که هسته اتم های خاصی در صورت قرار گرفتن در میدان مغناطیسی امواجی از خود تابش می کنند که قابل ردیابی است. این پدیده در سال ???? شناخته شد و کاربرد آن در پزشکی برای نخستین بار در سوئد توسط «اریش اودبلاد» و از دهه ???? شروع شد.

در سال ???? در انگلیس از طریق ردیابی تابش تراکم اتم های هیدروژن در بافت های مختلف بدن نخستین تصویر NMR تهیه شد. از سال ???? به بعد تصویر از مغز نیز به این وسیله گرفته شد.

در جهان همه چیز از اتم ساخته شده است. اتمهای مختلف در کنار هم قرار می گیرند و مولکولهای مختلف را تشکیل می دهند. هر اتمی که در طبیعت پیدا می شود، یکی از 92 نوع اتمی است که به نام عناصر طبیعی شناخته شده اند؛ پس هر چه روی زمین وجود دارد، از فلز، پلاستیک،لباس، شیشه گرفته تا  مو و غیره، همه ترکیباتی از 92 عنصر طبیعی هستند. جدول تناوبی عناصر، فهرست عناصری است که می توان در طبیعت پیدا کرد به اضافه عناصری که به دست بشر ساخته شده است.

درون هر اتم می توان سه ذره ریز پیدا کرد: پروتون، نوترون و الکترون.
پروتونها در کنار هم قرار می گیرند و هسته اتم را تشکیل می دهند، در حالی که الکترونها به دور هسته می چرخند. پروتون بار الکتریکی مثبت و الکترون بار الکتریکی منفی دارد و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می کنند، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترونها در حرکت به دور هسته می گردد. در اغلب حالت ها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است، بنابراین اتم درحالت عادی و طبیعی خنثی است.
نوترون، بار خنثی دارد و وظیفه اش در هسته، کنار هم نگاه داشتن پروتونهای هم بار است.می دانیم که ذرات با بار یکسان یکدیگر را دفع می کنند .در نتیجه وظیفه نوترونها این است که با فراهم آوردن شرایط بهتر، پروتونها را کنار هم نگاه دارند. ( این کار توسط نیروی هسته ای قوی صورت می گیرد )

تعداد پروتونهای هسته نوع اتم را مشخص می کند. برای مثال اگر 13 پروتون و 14 نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و 13 الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم خواهید داشت و اگر یک میلیون میلیارد میلیارد اتم آلومینیوم را در کنار هم قرار دهید، آنگاه نزدیک به پنجاه گرم آلومینیوم خواهید داشت! همه آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می شوند، AL27  یا آلومینیوم 27 نامیده می شوند. عدد 27 نشان دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می دهد.
اگر یک اتم آلومینیوم را درون یک بطری قرار دهید و میلیونها سال بعد برگردید، باز هم همان اتم آلومینیوم را خواهید یافت. بنابراین آلومینیوم 27 یک اتم پایدار نامیده می شود.
بسیاری از اتمها در شکل های مختلفی وجود دارند. مثلاً مس دو شکل دارد: مس 63 که 70 درصد کل مس موجود در طبیعت است و مس 65 که 30 درصد بقیه را تشکیل می دهد. شکل های مختلف اتم، ایزوتوپ نامیده می شوند. هر دو اتم مس 63 و مس 65 دارای 29 پروتون هستند، ولی مس 63 دارای 34 نوترون و مس 65 دارای 36 نوترون است. هر دو ایزوتوپ خصوصیات یکسانی دارند و هر دو هم پایدارند.

اتمهای ناپایدار
تا اوایل قرن بیستم، تصور می شد تمامی اتم ها پایدار هستند، اما با کشف خاصیت پرتوزایی اورانیوم توسط بکرل مشخص شد برخی عناصر خاص دارای ایزوتوپ های رادیواکتیو هستند و برخی دیگر، تمام ایزوتوپ هایشان رادیواکتیو است. رادیواکتیو بدان معنی است که هسته اتم از خود تشعشع ساطع می کند.

هیدورژن مثال خوبی از عنصری است که ایزوتوپ های متعددی دارد و فقط یکی از آنها رادیو اکتیو است. هیدروژن طبیعی ( همان هیدروژنی که ما می شناسیم) در هسته خود دارای یک پروتون است و هیچ نوترونی ندارد. ( البته چون فقط یک پروتون درهسته وجود دارد نیازی به نوترون نیست ) ایزوتوپ دیگر هیدروژن، هیدروژن 2 یا دو تریوم است که یک پروتون و یک نوترون در هسته خود جای داده است. دوتریوم، فقط 015/0 درصد کل هیدروژن را تشکیل می دهد و در طبیعت بسیار کمیاب است، با این حال مانند هیدورژن طبیعی رفتار می کند. البته از یک جهت با آن تفاوت دارد و آن، سمی بودن دوتریوم در غلظت های بالاست. دوتریوم هم ایزوتوپ پایداری است، ولی ایزوتوپ بعدی که تریتیوم خوانده می شود، ناپایدار است. تریتیوم که هیدروژن 3 نیز خوانده می شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم 3 تبدیل می شود. این بدان معنی است که اگر ظرفی پر از تریتیوم داشته باشید و آن را بگذارید و یک میلیون سال بعد برگردید، ظرف شما پر از هلیوم 3 است. هلیوم 3 از 2 پروتون و یک نوترون ساخته شده وعنصری پایدار است ).


در برخی عناصر مشخص، به طور طبیعی همه ایزوتوپ ها رادیواکتیو هستند. اورانیوم بهترین مثال برای چنین عناصری است که علاوه بر رادیواکتیویته زیاد سنگین ترین عنصر رادیواکتیو هم هست که به طور طبیعی یافت می شود. علاوه بر آن، هشت عنصر رادیواکتیو طبیعی هم وجود دارند که عبارتند از پولوتونیوم، استاتین، رادون، فرانسیم، رادیوم، اکتینیوم، توریم و پروتاکتسینانیوم. عناصر سنگین تر از اورانیوم که به دست بشر در آزمایشگاه ساخته شده اند، همگی رادیواکتیو هستند.

واپاشی رادیو اکتیو
وحشت نکنید بر خلاف اسمش این فرایند بسیار ساده است! اتم یک ایزوتوپ رادیواکتیو طی یک واکنش خودبخودی به یک عنصر دیگر تبدیل می شود. این واپاشی معمولاً از سه راه زیر انجام می شود:
1- واپاشی آلفا
2- واپاشی بتا
3- شکافت خودبه خودی

توضیح تفاوت این سه راه کمی مشکل است اما بدون اینکه بدانید این سه راه چه فرقی با هم می کنند هم می توانید از ادامه مطلب سر در آورید!! اگر خیلی هم علاقمندید بدانید اینجا را کلیک کنید.

در این فرآیندها چهار نوع تابش رادیواکتیو مختلف تولید می شود:
1- پرتو آلفا
2- پرتو بتا
3- پرتو گاما
4- پرتوهای نوترون


تابش های طبیعی خطرناک
درست است که واپاشی رادیواکتیو، یک فرآیند طبیعی است و عناصر رادیواکتیو هم بخشی از طبیعت هستند، ولی این تابش های رادیواکتیو برای موجودات زنده زیان بار هستند. ذرات پر انرژی آلفا، بتا، نوترونها، پرتوهای گاما و پرتوهای کیهانی، همگی به تابش های یون ساز معروفند، بدین معنی که بر همکنش آنها با اتم ها منجر به جداسازی الکترون ها از لایه ظرفیتشان می شود. از دست دادن الکترونها، مشکلات زیادی از جمله مرگ سلول ها و جهش های ژنتیکی را برای موجودات زنده به دنبال دارد. جالب است بدانید جهش ژنتیکی عامل بروز سرطان است.
درات آلفا، اندازه بزرگتری دارند و از این رو توانایی نفوذ زیادی در مواد ندارند، مثلاً حتی نمی توانند از یک ورق کاغذ عبور کنند. از این رو تا زمانی که در خارج بدن هستند تأثیری روی افراد ندارند. ولی اگر مواد غذایی آلوده به مواد تابنده ذرات آلفا بخورید، این ذرات می توانند آسیب مختصری درون بدن ایجاد کنند.

ذرات بتا توانایی نفوذ بیشتری دارند که البته آن هم خیلی زیاد نیست، ولی در صورت خورده شدن خطر بسیار بیشتری دارند. ذرات بتا را می توان با یک ورقه فویل آلومینویم یا پلکسی گلاس متوقف کرد.
پرتوهای گاما همانند اشعه X فقط با لایه های ضخیم سربی متوقف می شوند. نوترونها هم به دلیلی بی یار بودن، قدرت نفوذ بسیار بالایی دارند و فقط با لایه های بسیار ضخیم بتن یا مایعاتی چون آب و نفت متوقف می شوند. پرتوهای گاما و پرتوهای نوترون به دلیل همین قدرت نفوذ بالا می توانند اثرات بسیار وخیمی بر سلول های موجودات زنده بگذارند، تأثیراتی که گاه تا چند نسل ادامه خواهد داشت

بیشتر ماده هایی که ما درعـــالم می شناسیم ، ستاره هـــا ، سحابی ها ، سیارات وغبارهـــای
مــــیان ستاره ای و . . . . از پروتون ها و نوترون ها ساخته شده اند . تا مـدت ها گمان
براین بــودکه این ذرارت ( پروتون . نوترون و الکترون ) ذرات بنیادی سازنده عـــالم هستند ونمی توان آنــهارا به اجزای کوچکتــری تقسیم
کرد . ایــن باور هنوز در مورد الکترون وجـود دارد . اما تبدیل پروتون و نوترون به
یکدیگر دربرخی واکنش های هسته ای وآزمایش هـای پیشرفـته تــری که درشتاب دهنده هــای ذرات بنیادی انجام شد ، نشان دادکه
آنـها از ذرات سازنده کوچکتـری به نام کوارک ساخته شده اند . البته کوارک هـانیزانواع مختلفی
دارند . تـا کنون شش نوع کـوارک شناخته شـــده است که با اسامی جالبی نـامگذاری شده انــد: بالا وپایین (up,down) ،افسون وشگفت (charm,strange) وسر و ته (top,dottom) . انتخاب ایـــن اسامی معنی خاصی ندارد ،
چــون کـوارک هــا نه بالا و پایین دارنــد ونه سر وته ! پروتون هــا ونوترون هـا از
دو کـوارک اول ساخـته می شونـد. دو کوارک d ویک کوارک u پروتون رامی سازنـد. دوکوارک u و یـک کوارکd نـــوترون را می سازنــد . بــرای
نـــگه داشتن کوارک هـا کنار یکدیگرچسب مخصوصی لازم است . این وظیفه به عهده ذرات دیــگری است که گلوئون نام دارنـد . درحالت طبیعی
نمی تـوان کوارک هـا را بـه صورت آزاد و مـنفرد یافت . بیشتر مـاده موجــود درعــالم
از کوارک هــا ساخته شده است . ایــن کوارک ها درگروهای سه تایی دربسته ای از جنس گلوئون ها مقید شده انـد . اما در مـرکز یک ستاره
نوترونی بی انـدازه چگال ممکن است نوترون ها آن چنان فشرده شونـد که ساختارشان درهم
بشکند و ماده به دریایی ازکوارک های آزاد وگلوئون ها و الکترونها تبدیل شود. حروف u و d کوارک های اولیه در نوترون و پروتون و s کوارک دیگری است که دراین
تبد یل وتحت فشار زیاد به وجـود آمده است. e الکترون و g گلوئون است . اما اگر چگالی و فشارآن قـدرزیاد باشدکه ساختار پروتون هـا و
نوترون هـا درهـم بشکند . شاید ماده جدیدی خلق شودکه دیگر ساختارشناخته شده قبلی ماده را ندارد . دیگرنمی توان از ذره یا ذرات به صورت
مشخص نام برد ، چرا که ماده به دریای یکپارچه ای از کوارک ها ، الکترون ها وگلوئون ها
تبد یل شده است . چگالی این مـاده از چگالی هستهء اتـم هـاکه شامل پروتون ها ونوترون هـای مجزاست ، بسیار بیشتر است و خاصیت های آن نیز
با خواص ماده معمولی بسیار متفاوت خواهد بود . دانشمندان این ماده جدید را ماده
کوارکی یا "ماده شگفت" نامیده‌اند . ماده شگفت ممکن است پایدارترین شکل ممکن
ماده باشد . تا کنون این عنوان به هسته اتم آهن اطلاق می شد که نقطه پایانی واکنش های هسته ای در مرکز ستاره های سنگین و پر جرم است . اگر
چنین باشد ، پس ازساخته شدن ماده شگفت ، برای نگهداری آن به همین شکل فشرده نیازی
به گرانش نخواهد بود . برخی نظریه پردازان معتقد ند این ماده بسیار چگال می تواند هر شکل دیگری از ماده راکه با آن برخوردکند درهم
بشکند وتبدیل به ماده شگفت کند . اما جای نگرانی نیست ، چــرا که حتی اگرایــن اتفاق
بیفتد ، سرعت انجام آن بسیار کم است . به هرحال اگر کمی ماده شگفت روی زمین یا خورشید بریزد ، به سرعت به سمت مرکز می رود و در همان جا
باقی می ماند ، بدون اینکه آسیبی به محیط اطراف وارد کند . فیزیکدانان ذرات بنیادی
نیز امیدوارند بتوانند با استفاده از شتاب دهنده نسبیتی آزمایش بروکهاون در مدت بسیار کوتاهی کوارک وگلوئون های آزاد ایجاد کنند (که
البته این وضعیت بسیار ناپایدار است). آسمان بالای سر ما و اجرام گوناگونی که در این فضای
بی انتها قرار دارند آزمایشگاهی طبیعی در اختیار اختر شناسان قرار داده اند تا بتوانند گاهی فیزیکدان ها را پشت سر بگذارند و خیلی سریعتر
از آزمایشگاه های زمینی به نتیجه برسند.

آیا ذرات بنیادی نوترینو ها جرم دارند؟ با توجه به آزمایشات قبلی ما، بله. ولی چقدر؟

یک نتیجه ی تعجب برانگیز پیشنهاد شده است که مطابق آن چه ما فکر می کردیم نیست.
نوترینو ها مانند فوتون ها، بدون جرم تصور می شدند که با سرعت نور در حال حرکت اند.

در
چند سال گذشته با مطالعه بر روی نوترینوهای منتشر شده توسط خورشید یا
ایجاد شده توسط اشعه های کیهانی در اتمسفر زمین، فیزیکدانان متوجه شدند که
نوترینوها دارای جرمی بسیار کم ولی غیر صفر هستند که تقریبا 1میلیون بار
از یک الکترون کوچک ترند. این مقدارها با بررسی انرژی های جابه جا شده در
واکنش های بین ذرات شناخته شده به دست می آیند. در مقالات فیزیک مدرن
کلپدر-کلینگروتائوسKlapdor-Kleingrothaus و همکارانش ادعا می کنند که موفق به دیدن یک نوع جدید از تضیف هسته ای شده اند.

اگر
این ادعا درست باشد، می توان این نتیجه را دریافت که هر سه نوع نوترینوها
دارای جرمی یکسان هستند و پنجره ای در فیزیک به رویمان باز خواهد شد که به
ما اجازه می دهد تا اطلاعات خود را بالاتر ببریم.

شکل2

برای
آن که جرم یک نوترینو رو را تصور کنیم، یک ذره ی بنیادی مانند الکترون را
در نظر بگیرید که حدود 1800 برابر از پروتون سبک تر است و نسبت به سنگین
ترین ذره ی بنیادی شناخته شده یعنی بوزون های WوZو
کوارک های بالا 200000 برابر سبک تر است. علت این همه اختلاف جرم حتی در
مدل استاندارد ذرات بنیادی خود در هاله ای از ابهام است. در مقابل، پیش تر
نوترینوها بدون جرم تصور می شدند.
کلید ما "دستوارگی" است. در بیوشیمی دستوارگی ،handedness یک ملکول را توصیف می کند که ممکن است از شکل آینه ی خود متفاوت باشد. یک ملکول ساده مانند H2O مانند شکل آینه ای آن به نظر می رسید ولی یک ملکول پیچیده تر مانند
دگستروز(شکلی از گلوکز) این طور نیست. ملکول های دستواره در زیست شناسی
بسیار با اهمیت هستند ولی شکل آینه ای آن ها نه، چون معتقدند که در تکامل
زندگی به طور اتفاقی شکل یافته اند تا این که دارای تفاوت هایی ذاتی با
شکل اصلی خود داشته باشد.
نوترینو ها یک شکلی شبیه به دستوارگی دارند.
ذرات بنیادی یک حرکت چرخشی(اسپین) ذاتی دارند. بیش تر ذرات می توانند هم
به صورت چپ گرد و هم به صورت راست گرد حول محور جهت حرکتشان بچرخند ولی
نوترینوها فقط به صورت چپ گرد می چرخند.شکل2. مانند دستوارگی در زیست
شناسی می توانیم این را به یک حادثه نسبت دهیم که در این جا آن حادثه بیگ
بنگ است. داشتن خاصیت دستوارگی همیشگی برای ذرات دارای جرم غیر ممکن است
(چون جهت حرکت اسپینی یک ذره ی دارای جرم می تواند به حالت پایدار خود
تغییر پیدا کند) بنابراین فیزیکدانان نتیجه گرفتند که نوترینو ها دارای
جرمی معادل صفر اند.

ولی
در این جا یک مشکل در این بحث داریم که به پادماده مربوط می شود. هر ذره ی
بنیادی پاد ذره ی مربوط به خود را دارد با جرمی برابر ولی بار الکتریکی
مخالف. به عنوان مثال پادذره ی الکترون پوزیترون است. نوترینو هم یک
پادذره ی خودش را دارد:پادنوترینو. پادنوترینو حالت دستوارگی مخالف
نوترینو را داراست-همیشه در جهت راست گرد حول محور جهت حرکتش می چرخد. شکل2

جدا
از شکل دستوارگی آن ها چه طور نوترینو را از پادنوترینو تشخیص می دهید؟
هردوی آن ها دارای بار الکتریکی خنثی و جرمی برابر هستند. ولی یک مقدار
بارپایسته دیگری در انجام واکنش های بین ذرات وجود دارد: عدد لپتون .
الکترون و نوترینو لپتون هستند و پوزیترون و پادنوترینو، پادلپتون
هستند.تعداد لپتون منهای تعداد پادلپتون در یک واکنش عدد لپتون نامیده می
شود. لپتون ها و پادلپتون ها می توانند با روش های مختلفی ایجاد شوند
مانند تبدیل شدن یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک پادنوترینو. در
این مثال هیچ لپتونی در ابتدا وجود ندارد(نوترون باریون است) بعد یک
لپتون(الکترون) و یک پادلپتون(پادنوترینو) ایجاد شده اند بنابراین عدد
لپتون ثابت مانده است. در حقیقت این در تمام تبدیلات ذرات بنیادی پایسته
است.

پایستگی
عدد لپتون از آزمایشات برگرفته شد و هیچگونه توضیح تئوری در مورد آن وجود
نداشت. در دهه ی هفتاد تحقیقات جدید در مورد مدل استاندارد فیزیک انرژی
بالا چند بینش را پیشنهاد کرد: ذرات را در مدلی فرض کنیم که در آن به وجود
آمده اند که در این جا هم غیر ممکن است که پایستگی عدد لپتون را بشکند.مدل
استاندارد قبلا از این که فیزیکدان از آن فراتر بروند هم بوده است. آن ها
می خواهند یک نظریه متحدی را به وجود بیاورند تا وجود ذرات و نیروهای
بنیادی را سبب شود نه این که آن ها را توصیف کند به عنوان یک مدل
استاندارد. در این قالب بیش تر آرزومندانه-که به آن "اتحاد بزرگ" می
گویند- پایستگی عدد لپتون به صورت خودکار نیست. بنابراین یک دیدگاه جدید
ایجاد شد: عدد لپتون باید تقریبا در طبیعت ثابت باشد چون در مدل های
استاندارد خوبی امتحان شده است ولی باید کمی توسط اثر اتحاد بزرگ از آن
تجاوز کند.

اگر
عدد لپتون ثابت نباشد طولی نخواهد کشید که یک راهی برای تشخیص یک نوترینو
از یک پادنوترینو ساخته خواهد شد. آن ها می توانستند در واقع دو نوع از یک
ذره باشند. ذره که به صورت راست گرد و یا چپ گرد باشد.شکل2. مانند یک ذره
مانند الکترون. بنابراین اگر عدد لپتون ثابت نباشد، نوترینو می توانست جرم
داشته باشد. ولی جرم می تواند خیلی کوچک باشد که این از اثری ناشی می شود
که در مدل استاندارد غائب است. اندازه گیری جرم های بسیار کوچک بسیار سخت
است ولی مطالعات انجام شده بر روی تضعیف هسته ای تریتیوم نشان داده است که
یک نوع از نوترینو حدودا کم تر از 2الکترون ولت است.
مطالعه و جست و جو
بر روی جرم نوترینو به این عامل هم بستگی دارد که سه نوع نوترینو وجود
دارد: الکترون نوترینو، مئون نوترینو و تائو نوترینو(که هر کدام از آن ها
به ترتیب با الکترون،مئون و تائو لپتون ها به وجود می آیند). این ما را به
احتمال یک اثر مکانیک کوانتومی هدایت می کند: در هنگام عبور از یک خلا، یک
نوترینو می تواند بدون اختیار از یک نوع به یک نوع دیگر تبدیل شود. این با
"نوسان نوترینو" شناخته می شود و تنها زمانی می تواند رخ دهد که نوترینو
دارای جرم باشد.

در
حال حاضر شواهد بسیاری برای نوسان نوترینو وجود دارد هم برای نوترینو هایی
که توسط خورشید تولید می شوند و هم برای نوترینوهایی که از پرتوهای
کیهانی، در اتمسفر زمین ایجاد می شود.(تبدیل نوترینوها در "نوسان نوترینو"
تناقض میان تعداد نوترینوهایی که ما انتظار داریم خورشید تولید کرده باشد
و تعداد نوترینوهایی که ما آشکار می کنیم را حل کرده است.) نتایج آزمایشات
فقط از یک دسته ی ناقص از جرم های نوترینو هاحمایت می کند که از نظریه ی
اتحاد بزرگ ناشی می شود. این آزمایش همچنین یک نتیجه تعجب برانگیز را
داشته است که زوایای ترکیبی (mixing angles)(که
احتمال این که یک نوترینو از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود را معین کند)
خیلی بزرگ تر از آن هستند که نظریه پردازان انتظار داشتند.

به
نظر می رسد که منطقی باشد که از طریق نتایج حاصل از ناپایستگی عدد لپتون
نسبت به جرم نوترینو تردید داشته باشیم. ولی نوسان نوترینو خود به تنهایی
نمی تواند نشان دهد که عدد لپتون ثابت است. خب آیا ما می توانیم این را از
راهی دیگر انجام دهیم؟ این چیزی است کهKlapdor-Kleingrothaus ادعا می کنند با مشاهده ی تضیف Ge76 -هفتاد و شش عدد جرمی است- به Se76و2e -هفتاد و شش عدد جرمی است-توانسته اند انجام بدهند. این واکنش "تضعیف
دوتایی بدون نوترینو" نامیده می شود و حالت پایانی دارای دو الکترون
است(که به عنوان ذراتb شناخته می شوند) و پادنوترینویی مشاهده نمی شود-بنابراین واکنش با دو واحد
از پایستگی عدد لپتون تجاوز می کند. اگر اندازه گیری های نوسان نوترینو را
با این فرض که ذرات مربوط همان سه ذره ی شناخته شده باشند را در کنار هم
قرار دهیم آن گاه می توانیم این را دریابیم که هر سه نوع نوترینو دارای
جرمی یکسان هستند، حدودا چند ده الکترون ولت. این یک نتیجه ای کاملا تعجب
برانگیز است چون دیگر ذرات خانوادگی مانند کوارک ها و لپتون های باردار
شده دارای جرمی یکسان نیستند. و این فشار زیادی را روی تئوری جرم نوترینو
خواهد گذاشت.

البته
باید به طبیعت سخت و استثنایی این آزمایش هم توجه کرد.البته نسبت به تحلیل
های نویسنده در مورد پس زمینه و استخراج یک سیگنال بسیار کوچک هم انتقاد
هایی شده است12و13 در هر صورت در آزمایش های طراحی شده در آینده استفاده
از قسمت هایی بزرگ تر از Ge76(یا
هسته هایی شبیه) می تواند حساسیت و دقتی بالاتر را به ارمغان بیاورد. با
تخمین زدن اندازه گیری های "نوسان" قبل از این ادعا فیزیکدانان حدس زده
بودند که برای نقض پایستگی عدد لپتون به دقتی معادل 1000 یا 10000برابر
این آزمایش نیاز است.

کیک زرد
کیک زرد یا Yellowcake که بنام اورانیا (Urania) هم شناخته می شود در واقع
خاک معدنی اورانیوم است که پس از طی مراحل تصفیه و پردازشهای لازم از سنگ
معدنی آن تهیه می شود. تهیه این ماده به منزله رسیدن به بخش میانی از
مراحل مختلف تصفیه سنگ معدن اورانیوم است و باید توجه داشت که فاصله بسیار
زیادی برای استفاده در یک بمب اتمی دارد.

روش تهیه کیک زرد کاملآ به نوع سنگ معدن بدست آمده بستگی دارد، اما
بطور معمول از طریق آسیاب کردن و انجام پردازش های شیمایی بر روی سنگ معدن
اورانیوم، پودر زبر و زرد رنگی بدست می آید که قابلیت حل شدن در آب را
ندارد و حدود ??% غلظت اکسید اورانیوم آن خواهد بود. این پودر در دمایی
معادل ???? درجه سانتیگراد ذوب می شود.
روش تهیه
در ابتدا سنگ معدن توسط دستگاههای مخصوصی خرد شده آسیاب می شود و پس از آن
برای جدا سازی اورانیم و بالا بردن خلوص خاک سنگ، آنرا در حمامی از اسید
سولفوریک، آلکالاین و یا پراکسید می خوابانند، این عمل برای بدست آوردن اورانیوم خالص تر صورت می گیرد.

پس از این محصول بدست آمده را خشک و فیلتر می کنند و نتیجه آن چیزی
خواهد شد که به کیک زرد معروف است. امروزه روشهای جدیدی برای تهیه این
پودر اورانیوم وجود دارد که محصول آنها بیشتر از آنکه زرد باشد به قهوه ای
و سیاه نزدیک است، در واقع رنگ ماده بدست آمده به میزان وجود ناخالصی ها
در این پودر دارد.

نهادن این نام بر روی این محصول به گذشته بر می گردد که کیفیت روشهای خالص سازی سنگ معدن مناسب نبود و ماده بدست آمده زرد رنگ بود.

مواد تشکیل دهنده کیک زرد
قسمت بیشتر کیک زرد (معادل ??-?? درصد وزنی) شامل اکسید های اورانیوم با
فرمول شیمیایی U?O? - و یا سایر اکسید ها - است، و مابقی آن از دیگر موادی
تشکیل شده است که مهمترین آنها عبارتند از :

- هیدراکسید اورانیوم با فرمول شیمایی UO?(OH)? یا UO?)?(OH)?) که در
صنایع ساخت شیشه و سرامیک از آن استفاده می شود. این ماده تشعشع رادیو
اکتیو دارد و باید تحت شرایط خاصی نگهداری و حمل شود.

- سولفات اورانیوم با فرمول شیمیایی (U??S??) که ماده ای بی بود با رنگ زرد لیمویی است.

- اکسید اورانیوم زرد (یا اورانیت سدیم) با فرمول شیمیایی Na?O (UO?)?.?H?O که ماده ای با رنگ زرد - نارنجی است.

- پراکسید اورانیوم با فرمول شیمیایی UO?·nH?O با رنگ زرد کم رنگ.

یکی از کاربردهای کیک زرد تهیه هگزا فلوراید اورانیوم است. این گاز در
حالت عادی حدود ?.? درصد شامل ایزوتوپ ??? است و مابقی آن ایزوتوپ ???
است. در مرحله غنی سازی درصد U-??? به حدود ?.? یا حتی بیشتر افزایش داده
می شود.
کاربردها
کیک زرد عمومآ برای تهیه سوخت رآکتورهای هسته ای بکار برده می شود، در
واقع این ماده است که پس از انجام پردازشهایی به UO? تبدیل شده برای
استفاده در میله های سوختی بکار برده می شود.

این ماده همچنین میتواند برای غنی سازی تبدیل به گاز هگزا فلوراید
اورانیوم یا UF? تبدیل شود، چرا که در اینصورت می تواند چگالی ایزوتوپهای
اورانیوم ??? را در آن افزایش داد.

در هر صورت کیک زرد در اغلب کشورهایی که معادن
طبیعی اورانیوم دارند تهیه می شود و تولید این ماده مشکل خاصی ندارد و
بطور متوسط سالانه ?? هزار تن از این ماده در جهان تولید می شود.

کانادا یکی از تولید کنندگان این ماده است، این کشور دارای معادنی است
که خلوص سنگ اورانیوم آنها به ??% هم می رسد، در آسیا نیز کشوری مانند
قزاقستان دارای صنایع بزرگ تولید این پودر است.

قیمت این پودر در بازارهای بین المللی چیزی حدود ?? دلار برای هر کیلو است.

بر گرفته شده از مجله ی اینترنتی فریا

لینک مقاله در تالارهای گفتگوی علمی دانشجویان