هدف

هدف از انجام این آزمایش تحقیق قوانین اسنل و دکارت می‌باشد.

وسایل لازم

یک نقاله پلاستیکی سفید - یک ظرف - مقداری آب - شیشه - یک چشمه نور قابل تنظیم - یک ورقه صیقلی شده نقره یا فولاد.

تئوری

همه اجسام ، چه شفاف و چه کدر ، مقداری از نور را که به آنها برخورد می‌کنند، بازتاب می‌دهند. بیشتر سطحها نور را در راستاهای زیادی می‌فرستند. به کمک این نور بازتابی است که اجسام روشن شده را می‌بینیم و آنها را از محیط اطرافشان تشخیص می‌دهیم. وقتی نور به یک سطح برخورد می‌کند قسمتی از آن منعکس می‌شود و قسمتی به داخل آن ماده وارد می‌شود. قسمتی که منعکس می‌شود پرتو بازتابیده است که طبق قانون بازتابش با زاویه فرود برابر است.

البته طبق همین قانون می‌دانیم که پرتو فرودی ، پرتو بازتابیده و خط عمود بر سطح در نقطه تماس همگی در یک صفحه واقعند. قسمت دیگر نور فرودی که وارد محیط دوم می‌شود پرتو شکست نام دارد و متناسب با قانون دوم اسنل زاویه آن با خط عمود بنا به رابطه:

که ө₁ زاویه فرود و ө₂ زاویه شکست و n₁ و n₂ به ترتیب ضریب شکست محیط اول و دوم است، رفتار می‌کند. مجددا طبق همین قانون ، پرتو فرودی ، پرتو شکست و عمود بر سطح همگی در یک صفحه قرار دارند. ضریب شکست به جنس محیط بستگی دارد.

که n₂₁ ثابتی است که به آن ضریب شکست محیط 2 به محیط 1 می‌گویند. ضریب شکست یک محیط نسبت به محیط دیگر عمدتا با طول موج تغییر می‌کند. با استفاده از همین خاصیت شکست است که می‌توانیم باریکه نور را به طول موجهای تشکیل دهنده آن تجزیه کنیم.

آزمایش 1: بازتاب و پخش آینه‌ای

صفحه سفیدی را در اتاقک تاریکی قرار داده ، آینه‌ای را بر این صفحه منطبق کنید. سپس جسمی را روبروی این مجموعه قرار دهید. منبع نوری را در فاصله مشخصی از این مجموعه قرار دهید. عمل منبع نور روی صفحه سفید چگونه است؟ روی آینه چطور؟ مشاهدات خود را بر اساس کدام قانون فیزیک نور توضیح می‌دهید؟

مشاهده می‌کنید که کاغذ کاملا روشن به نظر می‌رسد و نسبت به زمینه تاریک رنگ آن سفید است. با اینکه شدت نوری که به هر سطح می‌رسد تقریبا مساوی است، چنانکه از بازتابش شمع سفید در آینه معلوم است، آینه نور را خیلی خوب بازتاب می‌دهد. پس چرا در عکس کاغذ روشنتر از آینه است.

نتیجه آزمایش1

آینه بازتابنده خوبی است و نور لامپ را که دور از دوربین عکاسی است باز می‌تابد، ولی جهت بازتابش آن که یگانه هم هست در جهت دوربین نیست. پس پرتو بازتابی به دوربین نمی‌رسد به همین جهت تاریک به نظر می‌رسد، در حالی که کاغذ بازتابنده خوبی نیست و نور فرودی را در تمام جهتها باز می‌تاباند و قسمتی از آن هم به دوربین عکاسی می‌رسد، به همین جهت قسمتی از آن روشن به نظر می‌رسد.

آزمایش 2

یک صفحه مقوایی سفید را روی یک بازتابنده خوب مثل یک آینه قرار دهید و منبع نور را چنان قرار دهید که پرتو نور مماس بر صفحه مقوایی باشد. سعی کنید با تغییر زاویه بین صفحه مقوایی و آینه پرتو بازتابش را هم روی مقوا بیندازید. یعنی پرتو بازتابش هم بر صفحه مماس شود. سپس زاویه بین مقدار آینه را اندازه بگیرید. این کار را برای حالتهای مختلفی از جمله منابع مختلف و بازتابنده‌های مختلف انجام دهید. مقدار این زاویه چگونه تغییر می‌کند؟

در مرحله بعدی ، از وسط ورقه مقوایی خطی عمود بر یکی از لبه‌های آن رسم کنید. سپس مانند حالت قبل ورقه مقوایی را در وضع عمود بر سطح بازتابنده طوری قرار دهید که انتهای خط رسم شده بر نقطه‌ای قرار گیرد که شعاع نور در آن به سطح بازتاننده می‌خورد. حال زاویه بین خط عمود روی مقدار و آینه را اندازه بگیرید و این کار را همانند حالت اول برای شرایط مختلف امتحان کنید. چه چیز نتیجه می‌شود؟

نتیجه آزمایش2

مسلما در حالت اول مشاهده کردید که برای آنکه پرتو تابش و بازتابش هر دو روی صفحه مقوایی بیفتد همواره باید ورقه مقوایی بر سطح بازتاباننده عمود باشد و همینطور در حالت دوم چون خط عمود روی مقواست، سپس در همان صفحه‌ای است که دو شعاع نور قرار دارند و بر صفحه بازتاباننده نیز عمود است. این مشاهدات قانون اول بازتاب آینه‌ای را بدست می‌دهد. وقتی نور از یک سطح تخت آینه‌ای بازتابیده می‌شود، پرتو فرودی ، پرتو بازتابیده و خط عمود بر سطح در نقطه تماس همگی در یک صفحه واقعند.

آزمایش 3: رابطه زوایای فرود و بازتاب

در همان آزمایش شماره 2 صفحه مقوایی را مورب کنید، بطوری که خط عمود بر صفحه شما منطبق باشد و فصل مشترک صفحه آینه ˚90 باشد. سپس زاویه پرتو تابش نسبت به خط عمود روی صفحه مقوایی را تغییر دهید و در هر حالت زاویه بازتابش را از روی صفحه مقوایی و آن را با زایه تابش مقایسه کنید. چه نتیجه می‌گیرید؟

نتیجه آزمایش 3

مشاهده خواهید کرد زاویه بین پرتو بازتابیده و خط عمود که زاویه بازتاب نامیده می‌شود، با زاویه بین فرودی و خط عمود ، به نام زاویه فرود ، مساوی است و طی آن قانون دوم بازتاب آینه‌ای بدست می‌آید: زاویه بازتاب برابر با زاویه فرود است.

آزمایش شماره 4: شکست نور

ابتدا پرتو نوری را توسط یک منبع نوری به سطح جدا کننده هوا و آب بتابانید، یک نقاله پلاستیکی سفید را چنان قرار دهید که نیمی از آن در هوا و نیمه دیگر داخل آب باشد، سعی کنید پرتو فرودی و پرتو شکست یعنی پرتوی که از سطح جدا کننده دو محیط عبور کرده و وارد محیط دوم شده را روی نقاله بیندازید سپس زاویه بین نقاله و مرز مشترک دو محیط را اندازه بگیرید این کار را برای مواد مختلف بجای آب انجام دهید، زاویه بین نقاله و مرز مشترک دو سطح چگونه تغییر می‌کند؟

نتیجه آزمایش 4

مشاهده خواهید کرد که در همه حالتها نتیجه یکسانی بدست می‌آید. در همه حالتها این زاویه ˚90 اندازه گیری می‌شود که در قانون اول شکست خلاصه شده است: پرتو فرودی ، پرتو شکست و خط عمود بر سطح همگی در یک صفحه قرار دارند.

آزمایش 5: ارتباط زاویه شکست و زاویه فرود

همانند آزمایش 4 ، نقاله پلاستیکی را طوری قرار دهید که نیمی از آن داخل آب و نیم دیگر در هوا باشد و نقاله پلاستیکی را عمود بر مرز مشترک دو محیط قرار دهید. پس پرتو فرودی را تحت زوایای مختلف بتابانید و در هر مورد زاویه شکست را از روی نقاله بخوانید. سپس نمودار زاویه شکست را بر حسب زاویه فرود رسم کنید. نمودار زاویه فرودی بر حسب زاویه بازتابش رسم کنید. همین آزمایشها را برای مواد مختلف به عنوان محیط دوم امتحان کنید. مشاهدات شما چگونه است؟

نتیجه آزمایش 5

با قرار دادن یک خط کش راست روی قسمتهایی از منحنی‌ها ، شیشه و آب متقاعد می‌شویم که برای زوایای فرد بین صفر تا ˚30 یا ˚40 هر دو منحنی تقریبا راست هستند و هر دو از مبدأ دستگاه مختصات می‌گذرند. بنابراین ، در این گستره زاویه شکست با زاویه فرود متناسب است. اگر زاویه r زاویه شکست و i زاویه تابش باشد می‌توان نوشت: ثابت×i = r. همینطور مشاهده می‌شود که مقدار ثابت به جنس ماده‌ای بستگی دارد که نور از هوا به آن وارد می‌شود. این تقریب برای زوایای کوچک متغیر است، ولی برای تمام زوایای صادق نیست.

قانون اول اسنل

یافتن یک معادله ریاضی که با منحنی تجربی جور باشد، ممکن است کار ساده‌ای نباشد. سابقه این کار به هزاران سال پیش به بطلیموس برمی‌گردد. در قرن هفدهم اسنل ریاضیدان هلندی این قانون فرمول بندی شد. برای ایجاد ارتباط مناسب بین دو زاویه فرود و شکست اولا باید توابعی داشته باشیم که نسبت دو تابع برای زوایای شکست و فرود برابر نسبت ضریب شکست دو محیط و مقدار ثابتی باشد. از طرفی برگشت پذیری مسیر نور مستلزم این است که هر دو زاویه تابع یکسانی داشته باشند.

به علاوه ، برای زوایای کوچک نسبت توابع باید به نسبت خود زوایا تبدیل شود. تابعی که در این شرایط صدق کند SinӨ است. در واقع ، این تابع که به قانون اسنل معروف است. با استفاده از نتایج آزمایش 5 مشاهده می‌کنید که پشت سینوس زوایای فرود و شکست برای تمام زوایا مقدار ثابتی است.

چند سوال

1. وقتی ماده در همان طرفی از زمین است که خورشید قرار دارد، با وجودی که در این وضع سطح ماه بوسیله خورشید روشن نمی‌شود، ولی اغلب در تاریکی دیده می‌شود. این امر چگونه اتفاق می‌افتد؟
   
   
2. چه مقداری را می‌توانید ضریب شکست هوا نسبت دهید (حداقل با یک تقریب بسیار خوب).
   
   
3. ضریب شکست آب نسبت به هوا در 20 c˚ برابر 1.33299 است. آیا پیش بینی شما این است که ضریب شکست مطلق (ضریب شکست هر ماده در خلأ ضریب شکست مطلق نامیده می‌شود) آب در این دما کمی بیشتر از این مقدار باشد یا کمی کمتر از آن؟
   
   
4. ضریب شکست برای نوری که از هوا وارد ماده X می‌شود چقدر است؟

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.

دیدکلی

وقتی جسم کدری میان یک پرده و یک چشمه نقطه‌ای نور قرار گیرد، سایه‌ای پیچیده متشکل از نواحی روشن و تاریک ایجاد می‌شود. این اثر به آسانی قابل روئیت است، اما یک چشمه نسبتا قوی ضروری است. لامپی با شدت زیاد که از یک سوراخ کوچک می‌درخشد، این کار را به خوبی انجام می‌دهد. اگر به نقش سایه حاصل از یک قلم ، تحت روشنایی یک چشمه نقطه‌ای نگاه کنید یک ناحیه روشن غیر معمولی در کناره خواهید دید.

حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشکیل می‌شود. به سایه‌ای که توسط دستتان در امتداد نور خورشید ایجاد می‌شود، نگاهی دقیق بیندازید. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمی‌گیرد. هر چند اگر در شب رانندگی کرده باشید، در حالیکه چند قطره باران بر روی شیشه عینکتان نشسته باشد، فریزهای روشن و تاریک را مشاهده خواهید کرد.

تاریخچه

اولین مطالعه تفضیلی منتشر شده درباره انحراف نور از مسیر مستقیم توسط فرانسسیکو گریمالدی در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه نامید.

انواع پراش

پراش فرانهوفر

فرض کنید که یک مانع کدر حاوی یک روزنه کوچک داریم که امواج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. صفحه مشاهده ، پرده‌ای است موازات با مانع کدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها می‌شود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظه‌ای پخش خواهد شد. بطوری که به روزنه واقعی بی‌شباهت است و یا شباهت اندکی با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حرکت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغییر می‌دهد ولی شکل آن را بدون تغییر می‌گذارد. این پراش را فرانهوفر یا پراش میدان- دور می‌گویند.

• پراش فرنهوفر تک شکاف
  
  در این نمونه شکاف مستطیل شکل که پهنای کوچک و طول چند سانتی متردارد، در مقابل منبع نور قرار می‌گیرد. پرتوهای نور بعد از عبور از شکاف بر روی پرده تشکیل تصویر می‌دهند، که قسمت مرکزی در مقایسه با کناره‌ها شدت بیشتری دارد. نقش‌های پراش در اطراف این ناحیه بوضوح دیده می‌شود و ضمن اینکه شدت نور با دور شدن از ناحیه مرکزی کاهش ی‌یابد، نوارهای تاریک در بین نوارهای روشن قابل روئیت است.
  
• شکاف دوگانه
  
  در این نمونه مانع کدر که در مقابل نور قرار می‌گیرد از دو شکاف مستطیل شکل موازی تشکیل شده است. هر روزنه به خودی خود همان نقش پراش تک شکافی را روی پرده دید ایجاد خواهد کرد. در هر نقطه روی پرده سهم‌های مربوط به این دو شکاف روی هم می‌افتد. گرچه دامنه هر کدام از آنها اساسا باید باهم مساوی باشد، ممکن است اختلاف فاز قابل توجهی پیدا کنند. در داخل قله مرکزی پراش وجود خواهد داشت. ممکن است یک بیشینه تداخل و یک کمینه پراش با یک مقدار از (زاویه انحراف از قسمت مرکزی) متناظر باشند. در چنین حالتی نوری وجود ندارد، که در آن موقعیت دقیق در تداخل شرکت کند و قله حذف شده را مرتبه گم شده می‌نامند.

پراش فرنل

فرض کنید یک مانع کدر حاوی روزنه کوچک که اموج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. در این حالت صفحه مشاهده پرده‌ای موازی با مانع است. در این شرایط یک تصویر از روزنه بر روی پرده می‌افتد، که علی‌رغم وجود برخی فریزهای جزئی در اطراف محیط آن ، به روشنی قابل تشخیص است. بتدریج که صفحه مشاهده از مانع دور می‌شود، تصویر روزنه گر چه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شکل مشخص‌تری به خود می‌گیرد، و این در حالی است که فریزها نمایانتر می‌شوند. این پدیده مشاهده شده پراش فرنل یا میدان- نزدیک نامیده می‌شود.

اصل بابینه

دو پرده پراشان را مکمل می‌گویند، هرگاه نواحی شفاف روی یک پرده با نواحی کدر پرده دیگر و بر عکس متناظر باشند. وقتی که دو پرده مکمل روی هم بیافتند، آشکار است که ترکیب آنها کاملا کدر است.

توری پراش

آرایه‌ای تکراری از عناصر پراشان ، نظیر روزنه‌ها یا موانعی که اثر آنها ایجاد تغییرات متناوبی در فاز ، دامنه یا هر دوی آنها در یک موج خروجی است، یک توری پراش نامیده می‌شود. غالبا توریهای تخت تراشه‌ای ، یا شیارهایی تقریبا مستطیلی چنان سوار می‌شوند که بردار انتشار فرودی تقریبا بر هر یک از وجوه شیارها عمود باشند.