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.
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.
همزمان جرم آن نیز کاهش مییابد. |
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.
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.
کلمات کلیدی: هسته ای
مفاهیم ساختار اتمی و هستهای این است که اتم مرکب از هسته و الکترونهایی است که آن را احاطه کردهاند و اینکه هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است به این پرسش اساسی میانجامد که: آیا جرم یک اتم خنثی با مجموع جرمهای پروتونها ، نوترونها و الکترونهایی که آن اتم خنثی را تشکیل میدهند. برابر است یا نه؟ این پرسش را به دقت میتوان پاسخ داد. زیرا جرم پروتون ، نوترون و الکترون و همچنین جرمهای تقریبا تمام اتمهای گوناگون معلوم هستند.
![]() |
در فیزیک یک اصل کلی است که میگوید: برای متلاشی کردن یک سیستم یا مجموعه پایدار باید کار انجام داد. مثلا اگر سیستمی از نوترونها و پروتونها ، که هسته اتم را ایجاد میکنند، پایدار باشد. برای از هم سوا کردن آنها باید انرژی مصرف نمود. جرم کلی یک هسته پایدار باید کمتر از مجموع جرمهای جداگانه نوترونها و پروتونهای تشکیل دهنده آن باشد. از طریق محاسبه و تجربه معین شده است که اختلافی بین مجموع جرم نوکلئونهای هسته و جرم هسته پایدار وجود دارد. این اختلاف جرم معادل انرژی هست که جهت متلاشی کردن کامل هسته لازم است. این انرژی موسوم به انرژی همبستگی اتم میباشد.
بررسی جرمهای اتمی شناخته شده نشان میدهد که برای هر نوع اتم ، جرم اتمی همواره کمتر از مجموع جرمهای ذرات تشکیل دهنده به حالت آزاد آنهاست. سادهترین اتم که دست کم شامل یک پروتون ، یک نوترون و یک الکترون باشد دوتریم است. در این مورد جرمها عبارتند از:
|
در این واکنش هیچگونه اجزای ذرهای که انرژی جنبشی زیادی داشته باشند، ایجاد نمیشود. بنابراین جرمی برابر amu 0.002388 که تفاوت سبکتر شدن 21H از 10n + 11H است، بوسیله اشعه گاما ربوده میشود. انرژی این اشعه از طریق آزمایش معین و معلوم شده که MeV 22.2 یعنی درست همان مقدار پیشگویی شده است.
واکنش معکوس ، یعنی واکنشی که در آن دوتریم با اشعه گاما بمباران میشود، نیز بررسی شدهاست:
به دنبال گیر اندازی یک نوترون بوسیله 11H ، انرژی در یک اشعه گاما آزاد میشود. این انرژی (MeV 22.2) انرژی اتصال دوترون نامیده میشود. این انرژی را میتوان انرژی دانست که وقتی یک پروتون و یک نوترون برای ایجاد یک هسته باهم ترکیب میشود، آزاد میگردد. برای حصول واکنش معکوس (وقتی21H با اشعه ایکس بمباران میشود) انرژی باید جذب شود.
مفهوم انرژی هستهای برای تمام مواردی که اجزایی ساده بوسیله نیرویی به هم میپیوندند و یک سیستم پیچیده بوجود میآورند، بکار میآید. مثلا زمین در مداری به دور خورشید قرار گرفته و با جاذبه گرانشی به آن متصل است و در این صورت برای جدا شدن و گریز از خورشید باید مقداری انرژی جنبشی اضافی به آن داده شود.
در یک اتم هیدروژن eV 13 لازم است تا الکترون از قید هستهای که با جاذبه الکتریکی به آن اتصال یافته خلاص شود. برعکس ، وقتی یک هسته عریان11H الکترونی را گیر میاندازد و به یک اتم هیدروژن خنثای پایدار معمولی مبدل میشود. سیستم مقداری انرژی برابر با eV 13 بوسیله تابش از دست میدهد و این درست انرژی فوتون گسیل یافتهای است که در این فرآیند یعنی ، فرآیند گیراندازی الکترون ، مشاهده میشود. اما فقط انرژیهای اتصال هستهای آنقدر بزرگ هستند که تفاوت جرم مربوط به آنها قابل اندازهگیری میشود.
کلمات کلیدی: هسته ای
نیلز بور (1962-1885)، از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم، در مورد چیزی که بنیان گذارده است، جمله ای دارد به این مضمون که اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است. من هم در اینجا می خواهم چیزی را برایتان توضیح دهم که قرار است نفهمید!
گام اول: تقسیم ماده
بیایید از یک رشتهی دراز ماکارونیِ پخته شروع کنیم. اگر این رشتهی ماکارونی را نصف کنیم، بعد نصف آن را هم نصف کنیم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنیم و... شاید آخر سر به چیزی برسیم ــ البته اگر چیزی بماند! ــ که به آن مولکولِ ماکارونی میتوان گفت؛ یعنی کوچکترین جزئی که هنوز ماکارونی است. حال اگر تقسیم کردن را باز هم ادامه بدهیم، حاصل کار خواص ماکارونی را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامهی تقسیم، به مولکولهای کربن یا هیدروژن یا... بربخوریم. این وسط، چیزی که به درد ما می خورد ــ یعنی به دردِ نفهمیدنِ کوانتوم! ــ این است که دست آخر، به اجزای گسسته ای به نام مولکول یا اتم می رسیم.
این پرسش از ساختار ماده که «آجرک ساختمانی ماده چیست؟»، پرسشی قدیمی و البته بنیادی است. ما به آن، به کمک فیزیک کلاسیک، چنین پاسخ گفته ایم: ساختار ماده، ذره ای و گسسته است؛ این یعنی نظریهی مولکولی.
گام دوم: تقسیم انرژی
بیایید ایدهی تقیسم کردن را در مورد چیزهای عجیب تری به کار ببریم، یا فکر کنیم که می توان به کار برد یا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم این نیست که داخل یک قوطی جیغ بکشیم و در آن را ببندیم و سعی کنیم جیغ خود را نصف ـ نصف بیرون بدهیم. صوت یک موج مکانیکی است که می تواند در جامدات، مایعات و گازها منتشر شود. چشمه های صوت معمولاً سیستم های مرتعش هستند. ساده ترین این سیستم ها، تار مرتعش است ــ که در حنجرهی انسان هم از آن استفاده شده است. بهراحتی(!) و بر اساس مکانیک کلاسیک می توان نشان داد که بسیاری از کمّیت های مربوط به یک تار کشیدهی مرتعش، از جمله فرکانس، انرژی، توان و... گسسته (کوانتیده) هستند. گسسته بودن در مکانیک موجی پدیده ای آشنا و طبیعی است (برای مطالعهی بیشتر می توانید به فصلهای 19 و 20 «فیزیک هالیدی» مراجعه کنید). امواج صوتی هم مثال دیگری از کمّیت های گسسته (کوانتیده) در فیزیک کلاسیک هستند. مفهوم موج در مکانیک کوانتومی و فیزیک مدرن جایگاه بسیار ویژه و مهمی دارد که جلوتر به آن می رسیم و یکی از مفاهیم کلیدی در مکانیک کوانتوم است.
پس گسسته بودن یک مفهوم کوانتومی نیست. این تصور که فیزیک کوانتومی مساوی است با گسسته شدن کمّیت های فیزیکی، همهی مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمّیت های گسسته در فیزیک کلاسیک هم وجود دارند. بنابراین، هنوز با ایدهی تقسیم کردن و سعی برای تقسیم کردن چیزها میتوانیم لذت ببریم!
گام سوم: مولکول نور
خوب! تا اینجا داشتم سعی می کردم توضیح دهم که مکانیک کوانتومی چه چیزی نیست. حالا می رسیم به شروع ماجرا:
فرض کنید به جای رشتهی ماکارونی، بخواهیم یک باریکهی نور را به طور مداوم تقسیم کنیم. آیا فکر می کنید که دست آخر به چیزی مثل «مولکول نور» (یا آنچه امروز فوتون مینامیم) برسیم؟ چشمه های نور معمولاً از جنس ماده هستند. یعنی تقریباً همهی نورهایی که دور و بر ما هستند از ماده تابش میکنند. ماده هم که ساختار ذره ای ـ اتمی دارد. بنابراین، باید ببینیم اتم ها چگونه تابش می کنند یا می توانند تابش کنند؟
گام چهارم: تابش الکترون
در سال 1911، رادرفورد (947-1871) نشان داد که اتم ها، مثل میوهها، دارای هستهی مرکزی هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترونها به دور هسته می چرخند. اما الکترون های در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبنای اصول الکترومغناطیس، «ذرهی بادارِ شتابدار باید تابش کند» و در نتیجه انرژی از دست بدهد و در یک مدار مارپیچی به سمت هسته سقوط کند. این سرنوشتی بود که مکانیک کلاسیک برای تمام الکترون ها /c1/پیشبینی و توصیه(!)
کلمات کلیدی: کوانتوم
با کمک دو قطعه طلق که توسط لایه ی نازکی از هوا جدا شده اند ، می توان الگوهای تداخلی ساخت.
وقتی نور به دو سطح شفاف که فاصله ی کمی از هم دارند می تابد ، قسمتی از نور از هر یک از سطوح منعکس می شود. اگر فاصله ی بین دو سطح مضربی از نصف یا کل طول موج باشد به ترتیب تداخل سازنده یا ویرانگر اتفاق می افتد و یک الگوی تداخلی تشکیل می شود.
سطوح طلق ها را با الکل و پارچه ی نرم تمیز کنید. سپس آن ها را محکم به هم فشار داده و برای اینکه در همین حالت ثابت باقی بمانند ، لبه های آن ها را با نوارچسب بچسبانید. روی یکی از سطوح را باکاغذ تیره بپوشانید تا الگوها ی تداخلی واضح تر دیده شوند.
سطوح طلقی را در برابر یک منبع نور قوی طوری در دست بگیرید که طرفی که کاغذ تیره قرار دارد مانند شکل در زیر باشد. الگوهای رنگی تداخل را مشاهده کنید. در صورت خم کردن یا فشردن سطوح ، الگوها تغییر خواهند کرد. توجه کنید که این الگوها شباهت زیادی به خطوط تراز در نقشه های توپوگرافی دارند. حالا قطعه ی پلاستیکی قرمز را بین منبع نور وسطوح قرار دهید. ملاحظه کنید که اینبار الگوها فقط قرمز وسیاه هستند.
امواج نور از دوسطحی که توسط لایه ی نازک هوا از هم جدا شده اند ، منعکس می شوند. این امواج پس از بازتاب از سطوح با یکدیگر برخورد می کنند و می توانند اثر یکدیگر را تقویت کرده یا از بین ببرند. این تقویت شدن یا از بین رفتن تداخل سازنده و ویرانگر نامیده میشود. این اثر است که باعث بوجود آمدن الگوهای تداخلی می شود.
نور سفید از رنگ های مختلفی تشکیل شده که با هم مخلوط شده اند. وقتی امواج نور یک رنگ خاص به هم رسیده و یکدیگر را از بین می برند ، آن رنگ از رنگ های نور سفید حذف می شود. بطور مثال وقتی امواج نور آبی از بین می روند ، آنچه از نور سفید پس از حذف نور آبی باقی می ماند ، رنگ زرد ( مکمل رنگ آبی ) است. ضخامت لایه ی بین دوسطح تعیین می کند کدام رنگ از بین می رود. بطور مثال اگر فاصله ی بین دو سطح به اندازه ی نصف طول موج نور آبی( یا مضربی از آن ) باشد ، قله های امواج نور آبی که از سطح بالایی لایه ی هوا منعکس می شوند ، دره های امواج نور آبی منعکس شده از سطح پایین را از بین برده و موجب از بین رفتن نور آبی می شوند.
این چیزی است که اتفاق می افتد: تصور کنید که فاصله ی بین دو سطح نصف طول موج نور آبی است. وقتی یک موج به سطح بالایی لایه ی هوا برخورد می کند بخشی از آن منعکس و بخش دیگر به راه خود ادامه می دهد. در مقایسه با سطحی که از سطح بالایی لایه منعکس می شود ، بخشی که عبور کرده و از سطح پایین منعکس می شود ، به اندازه ی یک طول موج بیشتر در لایه ی هوا حرکت می کند ( نصف طول موج می رود و نصف طول موج بر می گردد ). به علاوه موجی که از سطح پایین منعکس می شود وارونه می شود. اثر خالص نهایی این است که قله و دره ی نور آبی منعکس شده از دو سطح ، با هم ترکیب شده و یکدیگر را از بین می برند. به دلیل اینکه طرح الگوهای تداخلی به فاصله ی بین دو سطح بستگی دارد چیزی که در عمل می بینید نقشه ی توپوگرافی فاصله ی بین دو سطح است.
پس از قرار دادن یک فیلتر قرمز جلوی منبع نور فقط فریزهای قرمز و سیاه پدیدار می شوند. در جایی که تداخل ویرانگر صورت می گیرد هیچ نور قرمزی وجود ندارد که به چشم شما برسد ، بنابراین شما سیاه می بینید. هر جا تداخل سازنده صورت گیرد شما قرمز خواهید دید.
کلمات کلیدی: سرگرمی های فیزیک
ایزوتوپها با عدد جرمی آنها مشخص میشوند. حتی در حالت پایه بسیاری از ایزوتوپها ناپایدارند که ایزوتوپهای ناپایدار را رادیوایزوتوپ میگویند. |
کلمات کلیدی: هسته ای، فیزیک حالت جامد