مقدمه

انرژی شکافت هسته‌ای

انرژی بستگی هسته‌ای

مواد شکافتنی

شکافت ²³⁵U

مقدمه کلی

آلاینده‌ها بر حسب ترکیب شیمیایی‌شان ، به دو گروه آلی و معدنی تقسیم می‌شوند. ترکیبات آلی حاوی کربن و هیدروژن هستند. برخی از ذرات آلی که بیش از سایر ذرات آلی در اتمسفر یافت می‌شوند، عبارتند از: فنلها ، اسیدهای آلی و الکلها. معروفترین ذرات معدنی موجود در اتمسفر عبارتند از نیتراتها ، سولفاتها و فلزاتی مانند آهن ، سرب ، روی و وانادیم.

منابع آلاینده‌ها

هوا دارای آلاینده‌های طبیعی نظیر هاگهای قارچها ، تخم گیاهان ، ذرات معلق نمک و دود و ذرات غبار حاصل از آتش جنگلها و فوران آتشفشانهاست. همچنین هوا حاوی گاز منوکسید کربن تولید شده به شکل طبیعی (CO) حاصل از تجزیه متان (CH₄) و هیدروکربنها به شکل ترپنهای ناشی از درختان کاج ، سولفید هیدروژن (H₂S) و متان (CH₄) حاصل از تجزیه بی‌هوازی مواد آلی می‌باشد.

منابع آلاینده‌ها را بطور کلی می‌توان در چهار گروه اصلی طبقه بندی کرد: شامل وسائط نقلیه موتوری ، وسائط نقلیه هوایی ، ترنها ، کشتی‌ها و هر نوع استفاده و یا تبخیر بنزین ، در بر گیرنده تامین انرژی و حرارت لازم برای مقاصد مسکونی ، تجاری و صنعتی ، نیروگاههای مولد برق که با نیروی بخار کار می‌کنند، مانند صنایع شیمیایی ، متالوژی ، تولید کاغذ و پالایشگاههای تصفیه نفت ، شامل زایدات ناشی از مصارف خانگی و تجاری ، زایدات زغال سنگ و خاکستر باقیمانده از سوزاندن بقایای کشاورزی.

هیدروکربنها

ترکیبات آلی که تنها دارای هیدروژن و کربن هستند، به نام هیدروکربن نام می‌گیرند که بطور کلی به دو گروه آلیفاتیک و آروماتیک تقسیم می‌شوند.

هیدروکربنهای آلیفاتیک

گروه هیدروکربنهای آلیفاتیک شامل آلکانها ، آلکنها و آلکینها هستند. آلکانها عبارتند از: هیدروکربنهای اشباع شده که در واکنشهای فتوشیمیایی اتمسفر نقش ندارند. آلکنها که معمولا به نام اولفین‌ها خوانده می‌شوند، اشباع نشده هستند و در اتمسفر از لحاظ فتوشیمیایی تا حدودی فعال‌اند. این گروه در حضور نور خورشید با اکسید نیتروژن در غلظتهای زیاد واکنش نشان می‌دهند و آلاینده‌های ثانوی مانند پراکسی استیل نیترات (PAN) و ازن (O₃) را بوجود می‌آورند. هیدروکربنهای آلیفاتیک تولید شده تا حدود (326mg/m³) برای سلامت انسان و جانوران خطرساز نیست.

هیدروکربنهای آروماتیک

هیدروکربنهای آروماتیک که از لحاظ بیوشیمیایی و بیولوژیکی فعال و برخی از آنها بالقوه سرطانزا هستند، یا از بنزن مشتق شده‌اند و یا به آن مربوط می‌شوند. افزایش میزان ابتلا به سرطان ریه در نواحی شهری به هیدروکربنهای چند هسته‌ای خارج شده از اگزوز اتومبیل‌ها نسبت داده شده است. بنزوپیرین ، سرطانزاترین هیدروکربنهاست. بنزاسفنانتریلین ، بنزوانتراسین و کریزین هم مواد سرطانزای ضعیف‌اند.

منابع هیدروکربنها

میل‌لنگها و کاربراتورها ، بیشترین درصد آزادسازی هیدروکربنها را به خود اختصاص داده‌اند. تجهیزات سوزاننده مکمل که با کاتالیست کار می‌کنند، هیدروکربنها را آزاد کرده و منوکسید کربن را سوزانده و تولید CO₂ و آب می‌نمایند.

تکنولوژی کنترل هیدروکربنهای متصاعد شده از منابع ساکن

تکنولوژی کنترل هیدروکربنهای متصاعد شده از منابع ساکن عبارتند از: خاکستر سازی ، جذب ، تراکم و جایگزین نمودن سایر مواد.

فرآیند خاکسترسازی با دستگاههای سوزاننده مکمل و دستگاههای سوزاننده مکمل کاتالیستی صورت می‌گیرد. جذب سطحی توسط کربن فعال صورت می‌گیرد و جذب هیدروکربنها بوسیله یک محلول شوینده در برجهای سینی‌دار ، شوینده‌های جت و برجهای آکنه ، برجهای پاشنده و شوینده‌های ونتوری صورت می‌گیرد.

منوکسید کربن

گاز منوکسید کربن ، بیرنگ ، بی‌مزه و بی‌بو است و در شرایط عادی از لحاظ شیمیایی بی‌اثر و طول عمر متوسط آن در اتمسفر حدود 2.5 ماه است. در حال حاضر مقدار منو اکسید کربن در اتمسفر بر روی اموال انسانی ، گیاهان و اشیا بی‌اثر یا کم‌اثر است. در غلظتهای زیاد منو کسید کربن ، به علت تمایل زیاد به جذب هموگلوبین می‌تواند در متابولیسم تنفسی انسان بطور جدی اختلال ایجاد نما‌ید.

غلظت منوکسید کربن در نواحی متراکم شهری که ترافیک سنگین و حرکت خودروها کند است، به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. منابع کربن ، منوکسید کربن طبیعی و انسانی هستند. طبق گزارش آزمایشگاه ملی آرگون ، در اثر اکسیداسیون گاز متان حاصل از مرگ گیاهان سالانه 13.2 میلیون تن CO وارد طبیعت می‌شود. منبع دیگر تولید این ماده ، متابولیسم انسانی است بازدم شخصی که در حال استراحت است بطور تقریبی حاوی CO ، 1ppm است.

استانداردهای کنترل منوکسید کربن

آنگاه که مقدار منوکسید کربن در مدت زمان کوتاهی به حد مرگبار می‌رسد و شرایط اضطراری می‌شود، برای مقابله با چنین شرایطی که مقدار CO بطور متوسط در مدت زمان 8 ساعت به (46mg/m³ (40ppm می‌رسد،عملیات شدید کنترلی انجام می‌شوند که عبارتند از: متوقف ساختن کارخانه‌های صنعتی و مسدود نمودن جاده‌هایی که در آنها معمولا ترافیک سنیگن وجود دارد. جذب سطحی ، جذب ، میعان و احتراق روشهای فنی کنترل CO هستند.

اکسیدهای گوگرد

این اکسیدها شامل 6 ترکیب مختلف گازی هستند: منوکسید سولفور (SO) ، دی‌‌اکسید سولفور (SO₂) ، تری‌اکسید سولفور (SO) تترا اکسید سولفور (SO₄) ، سکو اکسید سولفور (SO₂) و هپتو اکسید سولفور (S₂O₇). در مطالعه آلودگی هوا ، دی‌اکسید سولفور و تری‌اکسید سولفور حائز بیشترین اهمیت است. با توجه به پایداری نسبی SO₂ در اتمسفر این کار می‌تواند به عنوان یک عامل اکسید کننده و یا احیا کننده وارد عمل شود.

SO₂ که با سایر اجزای موجود در اتمسفر به شکل فتوشیمیایی یا کاتالیستی وارد واکنش می‌شود، می‌تواند قطرات اسید سولفوریک (H₂SO₄) و نمکهای اسید سولفوریک را تولید بکند. SO₂ با آب وارد واکنش شده ، تولید سولفورو اسید می‌نماید. این اسید ضعیف با بیش از 80% SO₂ آزاد شده در اتمسفر ناشی از فعالیتهای انسانی به سوزاندن سوختهای جامد و فسیلی مربوط می‌شود.

استانداردهای کنترل اکسیدهای ‌سولفور

روشهای گسترده جهت کنترل اکسید سولفور عبارتند از: بکارگیری سوختهای دارای گوگرد کمتر ، جداسازی گوگرد از سوخت ، جایگزین ساختن منابع انرژی‌زای دیگر ، تبدیل زغال سنگ به مایع یا گاز ، پاکسازی محصولات حاصل از احتراق.

اکسیدهای نیتروژن

شامل منوکسید نیتروژن (NO) ، دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) ، نیترو اکسید (N₂O) نیتروژن سیسکواکسید (N₂O₃) ، نیتروژن تترااکسید (N₂O₄) و نیتروژن پنتواکسید (N₂O₅) هستند.

دو گاز مهمی در معادلات آلودگی هوا مهم‌اند عبارتند از: اکسید نیتریک (NO) و دی‌اکسید نیتروژن ، دی‌اکسید نیتروژن که از هوا سنگینتر و در آب محلول است، در آب تشکیل اسید نیتریک و یا اسید نیترو و یا اکسید نیتریک (NO) می‌دهد. اسید نیتریک و اسید نیترو در اثر بارندگی به سطح زمین سقوط کرده ، یا با آمونیاک موجود در اتمسفر (NH₃) ترکیب شده آمونیم نیترات (NH₄NO₃) بوجود می‌آورد.

در این مواقع 2NO از اجزای غذایی گیاهان را تشکیل می‌دهد. NO₂ یکی از اجزای غذایی گیاهان را تشکیل می‌دهد. NO₂ که در دامنه تشعشع فوق‌بنفش جاذب خوب انرژی به شمار می‌رود، در تولید آلاینده‌های ثانوی هوا از قبیل ازن O₃ نقش مهمی دارد مقدار NO آزاد شده در اتمسفر به مراتب بیش از مقدار NO₂ آزاد شده است. NO در فرآیندهای احتراقی با دمای زیاد و در اثر ترکیب نیتروژن و اکسیژن بوجود می‌آید.

منابع اکسیدهای نیتروژن

برخی از اکسیدهای نیتروژن به صورت طبیعی و برخی به صورت انسانی ایجاد می‌شوند. در اثر آتش‌سوزی جنگل مقدار اندکی NO₂ ایجاد می‌شود. تجزیه باکتریایی مواد آلی نیز سبب آزاد شدن NO₂ در اتمسفر می‌شود. در واقع منابع تولید کننده NO₂ بطور طبیعی تقریبا 10 برابر منابع انسانی که در نواحی شهری دارای تراکم و غلظت هستند می‌باشد. بخش عمده NO₂ تولید شده از منابع انسانی مربوط به احتراق سوخت در منابع ساکن و حرکت وسائط نقلیه می‌باشد.

استانداردهای کنترل اکسیدهای نیتروژن

بطور کلی اغلب اندازه گیریهای کنترلی برای NO₂ آزاد شده در راستای محدود ساختن شرایط احتراق و کاهش تولید NO₂ و همچنین استفاده از تجهیزات متنوع برای حذف NO₂ از جریان گازهای خروجی انجام می‌شوند.

اکسید کننده‌های فتوشیمیایی

اکسید ‌کننده‌ها یا اکسید کننده‌های کامل دو عبارتی هستند که برای توصیف مقادیر اکسید ‌‌کننده‌های فتوشیمیایی بکار می‌روند و معمولا نشان‌دهنده قدرت اکسید کنندگی هوای اتمسفر می‌باشند. ازن (O₃) که اکسید‌ کننده فتوشیمیایی اصلی است، در حدود 90 درصد از اکسید کننده‌ها را بخود اختصاص می‌دهد. سایر اکسید کننده‌های فتوشیمیایی مهم در کنترل آلودگی هوا عبارتند از: اکسیژن نوزاد (O) ، اکسیژن مولکولی برانگیخته (O₂) ، پروکسی آسیل نیترات (PAN) ، پروکسی پروپانول نیترات (PPN) ، پروکسی بوتیل نیترات (PBN) ، دی اکسید نیتروژن (NO₂) ، پراکسید هیدروژن (H₂O₂) و الکیل نیتراتها.

اثرات اکسید‌کننده‌ها

اثرات اکسید‌کننده‌ها بر سلامتی انسان می‌تواند موجب سرفه ، کوتاهی نفس ، گرفتگی راه عبور هوا ، گرفنگی و درد قفسه سینه ، عملکرد نامناسب ششها ، تغییر سلولهای قرمز خون ، آماس خشک و سوزش چشم ، بینی و گلو شوند. اکسید ‌کننده‌های اصلی که به گیاهان آسیب می‌رسانند، عبارتند از PAN , O₃ که از خلال روزنه‌های موجود در برگ وارد گیاه شده و در متابولیسم سلول گیاهی دخالت می‌کنند. علائم بوجود آمده از تماس گیاه با PAN عبارتند از: برونزه شدن ، براق شدن و نقره‌ای شده سطح زیرین برگها.

تماس متناوب اکسید ‌کننده‌ها با گیاهان موجب کاهش محصولات می‌شود. اکسید‌ کننده‌ها به سرعت با رنگها ، الاستومرها (اکسید ‌کننده‌ها) الیاف پارچه‌ای و رنگهای نساجی واکنش نشان داده ، آنها را اکسید می‌کند.

استانداردهای کنترل اکسید ‌کننده‌ها

این نکته روشن شده است که حتی اگر هیچ هیدروکربنی در اتمسفر وجود نداشته باشد، تا زمانی که CO و NO₂ حضور دارند، مقادیر قابل ملاحظه‌ای از ازن می‌تواند تولید شود. در حال حاضر علیرغم کوششهای منظم بر روی کنترل CO ، هیدروکربنها و NO₂ مقادیری از این آلاینده‌ها که برای ایجاد ازن فتوشیمیایی کافی هستند، همچنان در اتمسفر وجود دارد.

!نگاه اجمالی
حتماً تا کنون درباره DVD یا CD و یا جراحی چشم با لیزر و غیره چیزهایی شنیده‌اید و حتما این بزرگترین اختراع علوم را تا کنون به عناوین مختلف استفاده کرده‌اید؛ بدون آنکه از خودتان سؤال کرده باشید که مخترع لیزر چه کسی بوده است. آیا می‌دانید که مخترع لیزر یک ایرانی بوده است؟ اولین نوع لیزر ؛ لیزر گازی بود (که در سیستم درمانی و صنایع بطور گسترده بکار برده می‌شود) که توسط آقای علی جوان متخصص فیزیک اختراع شد.

لیزر هلیوم _ نئون اولین لیزری بود که در دسامبر 1960 با خروجی 1.15 میکرومتر بطور پیوسته عمل کرد. عمل برانگیختگی در این لیزر از طریق تخلیه الکتریکی ، در مخلوط از هلیوم و نئون انجام می‌شد. از آن زمان انواع زیادی از لیزرهای گازی در گستره وسیعی از طول موج از 100 نانومتر فرابنفش خلا تا فروسرخ دور یا حتی امواج میلیمتری ، تولید شده‌اند. بیش از 5000 خط لیزری شناسایی شده‌اند. در بیشتر موارد گاز بوسیله تخلیه الکتریکی یا دمش اپتیکی ، به یاری ساز و کارها و روشهای متعددی برانگیخته می‌شود.

گزیده‌ای از سخنان پروفسور علی جوان در مورد اختراع لیزر

در دنیای علمی و علوم ، این مثل همیشه گفته می‌شود که وقتی که زمان برای یک اختراع یا یک کشف درست شده و شما آنرا انجام ندهید، کس دیگری انجام خواهد داد. این مثل تا حد زیادی حقیقت دارد، اما همیشه اینطور نیست. بعضی وقتها آدمها یک فکر خوب را از دست می‌دهند. وقتی که نوبت برسد به لیزر ، لیزر گازی ، می‌توانست در سال 1930 اختراع شده باشد، نه پس از سی سال در سال 1960 که من آنرا اختراع کردم. اگر شما به تاریخ علم نگاه کرده باشید، مخصوصا به فیزیکدانان اروپایی ، آنها به اختراع لیزر در سالهای 1937 و 1938 خیلی نزدیک شده بودند.

دانشمندان در حال مطالعه بر روی اتمها بودند، که چگونه امواج نوری را بیرون بدهند (تقویت نور در گازها بوسیله گسیل القائی پرتوافکنی) و آنها به اختراع لیزر خیلی نزدیک شده بودند. از نوشتجات آنها شما می‌توانید ببینید که آنها به راه درست رفته بودند، اما بعدا راه را اشتباه رفته و از مسیر اصلی منحرف شدند. اگر من در همان سالها بودم مطمعنا آنرا اختراع می‌کردم، مبالغه نمی‌کنم و می‌دانم که آنرا انجام می‌دادم.

نمایی از لیزر گازی دکتر علی جوان. مجله "Smithsonian" آوریل 1971.

من می‌دانم که این دانشمندان چرا آنرا از دست دادند؛ آنها عمیقا درگیر با داراییهای موضوع در تعادل گرمایی بودند. با این وجود در لیزرها ، اتمها باید در یک حالت تعادل غیر گرمایی باشند؛ که این قدری پیچیده می‌شود و از حوصله این بحث خارج است. البته تمام آنها اکنون تمام شده است، ولی آن دانشمندان پیشروان این راه بوده‌اند. موقعی که من نظریه‌ام را در رابطه با لیزر گازی دادم، بعضی از قسمتهای آنرا ، نه تمام آن ، بر اساس گرفتاری من در کارهایی بود که مشغول انجام آن بودم. اما من می‌دانستم که بالاخره این لیزر گازی را می‌توانم اختراع کنم، در غیر اینصورت اصلا دنبال آن کار را نمی‌گرفتم.

کسانی که از همان ابتدا نظر من را می‌دانستند، خیلی به آن بدبین بودند. حتی آنهایی که در تیم من بودند و با من کار می‌کرند، در این رابطه شک داشتند. من این شک را در بسیاری از آنها دیده‌ام. حتی فیزیکدانان خوب هم بعضی وقتها در عقاید خودشان نامطمئن هستند و آنها با تردید منزلزل می‌شوند.

تفاوت لیزر گازی با جامدات

استفاده از گازها به عنوان ماده فعال لیزری تفاوت جالبی با جامدات دارد. به دلیل آنکه جمعیت معکوسی که می‌توان در گازها بدست آورد، خیلی کمتر از جامدات است، یک میله Nd-YAG تقریبا 6X10²⁵ اتم Nd در مترمکعب دارد، ولی در لیزر He_Ne فقط 10²¹ اتم Ne در هر مترمکعب وجود دارد. بنابراین انتظار داریم که لیزرهای گازی پرقدرت خیلی حجیم و بزرگ باشند. از سوی دیگر ، گازها بسیار یکنواخت‌تر و همگن‌تر از جامدات هستند و می‌توان برای خنک کردن و دوباره پر کردن آنها را در یک مدار بسته به حرکت در آورد.

تئوری لیزر گازی

برای گازها بطور کلی پهن شدگی ترازهای انرژی نسبتا کوچک است (در مرتبه چند گیگا هرتز یا کمتر) چون ساز و کارهای پهن شدگی خط ضعیفتر از جامدات است، برای گازهایی در فشار پایین (چند تور) که اغلب در لیزرها بکار می‌روند، پهن شدگی القا شده در اثر برخورد خیلی کوچک است و بنابراین پهناهای خط اساسا با پهن شدگی دوپلری تعیین می‌شوند. بدین دلیل دمش اپتیکی با لامپهای بکار رفته برای لیزر حالت جامد ، در مورد گازها انجام نمی‌شود.

این لامپها زیاد کارآیی ندارند، چون طیف گسیلشان کم و بیش پیوسته است. در حالی که در محیط فعال هیچ نوار جذب پهنی وجود ندارد. تنها موردی که عمل لیزر در گاز بوسیله این نوع دمش اپتیکی حاصل شده است، دمش Gs با لامپ حاوی He است. در این مورد وضعیت برای دمش اپتیکی کاملا مناسب است، چون برخی از خطوط گسیل He منطبق بر خطوط جذب Cs هستند، ولی اهمیت این لیزر بیشتر از جنبه تاریخی آن است.

مکانیزم لیزرهای گازی

لیزرهای گازی معمولا با ابزارهای الکتریکی برانگیخته می‌شوند، یعنی دمش با عبور جریان به اندازه کافی قوی (dc یا تپی) از گاز انجام می‌شود. ساز و کارهای اصلی دمشی که در لیزرهای گازی صورت می‌گیرد، با عبور جریان الکتریکی مناسبی از گاز حاصل می‌شود. یونها و الکترونهای آزاد بوجود می‌آیند و چون این ذرات در اثر میدان الکتریکی شتابدار می‌شوند، انرژی جنبشی اضافی بدست می‌آورند و می‌توانند با برخورد و به اتمهای خنثی آنها را برانگیخته کنند. دمش الکتریکی گاز معمولا با یکی از دو فرآیند زیر انجام می‌گیرد:

• در گازی که تنها شامل یک گونه باشد، برانگیختگی فقط با برخورد الکترونی ایجاد می‌شود.
  
  
• گازی که شامل دو گونه باشد (مثلا نوع A و نوع B) در اثر برخورد بین اتمهای دو نوع گاز نیز برانگیختگی ایجاد می‌شود.

ترازهای لیزر زایی لیزر هلیوم _ نئون

ساختار یک لیزر گازی

از آنجایی که اتمها خطوط جذبی بسیار باریکی در گازها دارند، تقریبا غیر ممکن است که بتوان به کمک تحریک (دمش) نوری در آنها جمعیت معکوس ایجاد نمود و به جای آن معمولا از روش تخلیه الکتریکی استفاده می‌شود. یک طرح شماتیک لیزر گازی با فشار کم مانند لیزر هلیوم _ نئون که در آن گاز تحت فشار تقریبا کم ، داخل لوله تخلیه با آند و کاتد در دو طرف آن قرار دارد. اگر آینه‌های تشدید کننده خارج از لوله تخلیه باشند، پنجره‌های بروستر در دو انتهای لوله قرار می‌گیرند تا اتلاف در اثر بازتاب را کاهش دهند، این عمل البته باعث پلاریزه شدن نور خروجی می‌شود.

ولتاژ چندین کیلوولت در سرتاسر لوله اعمال می‌شود تا تخلیه الکتریکی انجام شود. در بعضی موارد گاز ممکن است قبلا کمی یونیزه شود. این عمل به کمک پالس ولتاژ بالا که به یکی از الکترودها اعمال شود و یا یک سیم کوتاهی که به دور لوله پیچیده شود، انجام می‌گیرد. در این روش تخلیه الکتریکی هم الکترونها و هم یونها و هم اتمهای خنثی وجود دارند. الکترونهای آزاد توسط میدان الکتریکی در تخلیه شتاب می‌گیرند و به سمت آند حرکت می‌کنند و اگر در بین راه به اتمها و یونها برخورد کنند، مقداری و یا همه انرژی خود را از دست می‌دهند و آن را به تراز بالای لیزری دمش می‌کنند.

طبقه بندی مواد لیزر گازی

• لیزرهای اتم خنثی : معمولترین لیزر گازی خنثی لیزر هلیوم _ نئون است.
  
  
• لیزرهای یونی : در اتم یونیده ، مقیاس ترازهای انرژی گسترده می‌شوند و در اولین برخورد اتم خنثی را یونیزه می‌کنند.
  
  
• لیزرهای مولکولی : در این لیزرها از گذار بین ترازهای انرژی مولکول استفاده می‌شود.
  
  
• لیزرهای اگزیمر : کلمه اگزیمر از عبارت « دیمر تحریک شده » بدست آمده است، یعنی یک مولکول دو اتمی وقتی در حالت تحریکی واقع است، پایدار است و در حالت پایه ، ناپایدار است.

طبقه بندی روش برانگیختگی لیزر گازی

• لیزر تخلیه الکتریکی
• لیزر شیمیایی
• لیزر دمش اپتیکی
• لیزر دمش باریکه الکترونی

مقدمه

پهنای باریکه

همدوسی

تکفامی

کاربردهای مهم پهنای کم باریکه

کاربرد لیزر بر اساس شدتهای زیاد

کاربرد همدوس لیزر

کاربرد تکفامی نور لیزری