پیش‌بینی نیوساینتیست از اختراعات مهم بشر در دهه‌های آینده

نشریه نیوساینتیست در آخرین شماره خود به معرفی 10 اختراع ویژه پرداخته است. این اختراعات، اختراعاتی عادی نیستند، بلکه پیش‌بینی می‌شود که مشابه اعجاز‌های فناوری در عصر حاضر، آنها هم الگوی زندگی بشر را در دهه‌های پیش‌روی دگرگون سازند.

اگر سنتان قد می‌دهد، 30 سال پیش را به یاد آورید. نگاهی به اتفاقات مهم آن دوره، یکنواختی آن روز‌های دنیای فناوری را به وضوح نشان می‌دهد. شاید بتوان اوج هیجان آن سال‌ها را در سال 1979 / 1358 دانست، زمانی که شرکت ژاپنی نت، اولین شبکه تلفن همراه را در توکیو راه‌اندازی کرد. گرچه برای چند دهه این چیزها اسباب‌بازی دست ابرپولدارها بود، ولی امروز آن قدر گوشی همراه وجود دارد که نیمی از ساکنان زمین بتوانند یکی از آن‌ها داشته باشند.

البته این تنها انقلابی نیست که اخیرا در دنیای فناوری اتفاق افتاده باشد. آیا تا همین چند سال‌ قبل آرزو نداشتید که مجموعه تمام آهنگ‌هایتان را در جیبتان جای دهید؟ یا این‌که به سیستمی دسترسی داشته باشید که برای برقراری ارتباط و به اشتراک گذاشتن اطلاعات، آن‌هم نه فقط ساکنان محله‌تان، که ساکنان کره خاکی، کمکتان کند؟

نظر انداختن در جام جهان‌نما برای مرور ایام پر از دلشوره است، ولی دل به دریا زدیم و ده وسیله الکترونیکی برتر را معرفی کرده‌ایم که طی 30 سال آینده به اندازه گوشی همراه، آی‌پاد و اینترنت، و حتی بیش‌تر از آنها، روند زندگی‌مان را تغییر خواهند داد.

1. بینایی فوق‌العاده
چه کسی می‌تواند از امتحان یک عینک امواج ایکس صرف‌نظر کند؟ شاید از هر چیزی که مقابل دیدگانمان قرار گیرد خوشمان نیاید، ولی اگر دارای قدرت دیدی مثل سوپرمن بودیم، می‌توانسگروه آن سوی دیوارها را هم ببینیم. البته برای مصارف عمومی نباید خیلی به چنین وسیله‌ای بدبین بود؛ می‌توان با استفاده از آن مراقب فرزند خود در طبقه بالایی بود. خوشبختانه یا متاسفانه، هنوز چنین وسیله‌ای به وجود نیامده، با این حال چند حقه فناوری وجود دارد که ما را به آن نزدیک می‌کند.

بر خلاف نور مرئی، امواج رادیویی می‌توانند از مواد جامد عبور کنند. در سال 2006، گروهی از دفتر مشاوره مهندسی کمبریج در انگلیس اعلام کرد که سیستمی در قطع یک کیف ساخته که می‌تواند با ارسال علایم رادار در باند فوق‌پهن و شنیدن پژواک آن، افراد را از پشت دیوار‌های آجری تشخیص دهد. به ادعای مسئولان این شرکت، علایم این دستگاه که «پریزم 200» نام گرفته، می‌تواند از مصالح ساختمانی با ضخامت 40 سانگروهتر عبور کند و فعالیت‌ها را تا فاصله 15 متر تشخیص دهد.

به پیشنهاد گروه سازنده، این ابداع می‌تواند برای رهگیری افراد در شرایط گروگان‌گیری فوق‌العاده کارآمد باشد، ولی با این حال ضعف بسیار حادی نیز دارد. برای جلوگیری از نا‌پیدا شدن افراد به واسطه دیوارها و دیگر اشیای ثابت، این دستگاه فقط اهدافی را شناسایی می‌کند که به سرعت پژواک‌های گوناگونی را تولید می‌کنند. به بیان دیگر، پریزم‌200 افراد را فقط در حال حرکت تشخیص می‌دهد.

در همین حال، گروه دیگری در آلمان که بر پروژه مشابهی کار می‌کند، چند گام از گروه انگلیسی جلوتر است. حتی مجسمه آدم هم از حسگر راداری گروه آقای اروین بیبل در امان نیست. گروه آقای بیبل در دانشگاه فناوری مونیخ وسیله‌ای ساخته که حرکات بسیار جزئی را از پشت درهای بسته هم تشخیص می‌دهد، حتی تنفس و تپش قلب افراد را!

این گروه دریافته است که طیف امواج رادیویی بین 433 مگاهرتز تا 24 گیگاهرتز که می‌تواند از پوست و استخوان بگذرد، توسط لایه‌ای‌ از چربی که ماهیچه را دربر می‌گیرد، نظیر ماهیچه قلب، بازتاب می‌شود. این یافته با استفاده از اثر دوپلر برای تشخیص تغییرات حرکتی کوچکتر از سانتی‌متر بدست آمده است.

2. ناپدید شوید
اخیرا رویاهایی از داستان‌های علمی- تخیلی برای تحقق «شنل‌های نامرئی‌کننده» سر بیرون آورده‌اند. اولین آنها که فقط روی ریزموج‌ها کار کرده بود، در سال 2006 عرضه شد. بعد از آن تلاش‌های دیگری هم برای رقابت با توانایی‌های هری پاتر شروع شد.

این گونه وسایل برای ناپدید کردن یک جسم، امواج الکترومغناطیسی اطراف آن را منحرف می‌کنند. تا کنون تنها راه برای رسیدن به شنل‌های نامرئی‌کننده استفاده از متامتریال‌ها بوده که برای فعل وانفعال با نور و هدایت آن به شکل قابل کنترل، از اجزای الکترونیکی ساخته شده‌اند.

هدف این مواد، پدید آوردن پوششی نامرئی‌کننده است که برای طیف وسیعی از بسامدهای مرئی قابل استفاده باشد. البته دست یافتن به چنین موادی آسان نیست. اجزای تشکیل‌دهنده آنها باید از طول‌موج نوری که برای تعامل با آن ساخته شده‌اند، کوچک‌تر و ظریف‌تر باشند.‌ در سال گذشته میلادی گروهی از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، ماده‌ای ساخت که نور قابل مشاهده را بیش‌تر از آن که بازتاباند، به سمت پشت منحرف می‌کرد. تحقیقات گروه دیگری از دانشگاه سنت‌آندرو در انگلیس هم نشان داد که متامتریال‌ها بر روی گستره‌ای از بسامد‌ها موثر هستند.

حتی گروهی از دانشمندان دانشگاه علوم و فناوری هنگ‌کنگ در چین هم در همین راستا، روی پوشاندن اشیا در فاصله‌ای معین کار می‌کنند. این گروه استفاده از مواد تکمیلی را پیشنهاد می‌کند که ویژگی‌های نوری آنها سبب می‌شود یکدیگر را حذف کنند. یک موج که به سمت هواپیما تابیده می‌شود، پس‌از برخورد به ماده اول منحرف می‌شود، ولی این انحراف با عبور موج از ماده مکمل از بین می‌رود و چنین به نظر می‌آید که هیچ ماده‌ای آنجا نیست.

3. درمان از راه دور
گوشی‌های همراه جدید شاید قابلیت‌های بیش‌تری از وسیله ارتباطی استار‌تک داشته باشند، ولی اسکنر طبی قابل‌حمل دکتر بونز که جراحات داخلی را فورا نمایش می‌دهد، قدری دیگر طول می‌کشد تا به دنیای واقعی وارد شود. ولی وقتی که وارد بازار شود، یک گام هم جلوتر خواهد بود! مهندسان در حال توسعه این اسکنر قابل‌حمل هستند که نه تنها آسیب‌های داخلی را نمایان می‌سازد، که آنها را در یک لحظه مداوا می‌کند.

راز نهفته در فناوری این اختراع، به‌کارگیری امواج با بسامد بالا است. هم‌اکنون پزشکان از امواج فراصوت برای بررسی و عکسبرداری از جنین در رحم مادر استفاده می‌کنند. اما با افزایش شدت این امواج و متمرکز کردن آن‌ها روی یک نقطه می‌توان حرارت کافی را برای پختن بافت بدن پدید آورد!

تحقیقات لاورنس کرام از دانشگاه واشنگتن در سیاتل نشان داده است که امواج فراصوت با شدت بالا می‌تواند رگ‌های در حال خون‌ریزی را داغ کند. شرکت او، آلتراسوند تکنولوژی، وسیله‌ای دستی ساخته که به جراحان اجازه می‌دهد با نفوذ به ارگان پر از خون، بریدگی را داغ کند. کرام ابراز امیدواری کرده که در سال جاری بتواند این فناوری را روی بشر هم آزمایش کند.

همچنین امواج ضعیف فراصوت می‌تواند برای تشخیص جریان سریع خون در رگ در حال خونریزی نیز به کار بیاید. آژانس پروژه‌های تحقیقاتی دفاعی پیشرفته آمریکا روی وسیله‌ای به نام «سیستم انعقاد صوتی خونریزی عمیق» سرمایه‌گذاری کرده که با بهره‌گیری از امواج فراصوت، هر دو عمل تشخیص و درمان رگ بریده را انجام می‌دهد.

این وسیله شامل آرایه‌هایی از فرستنده-گیرنده‌های فراصوتی است که به دور عضو آسیب‌دیده پیچیده می‌شود. فرستنده-گیرنده‌ها، امواج کم‌انرژی فراصوت منتشر و بازتابش رگ‌های مجروح را اسکن می‌کنند. اگر این آرایه‌ها در یک رگ نشتی تشخیص دهند، فورا این نشتی را قطع می‌کنند.

4. مرد عنکبوتی، پای مارمولکی
شخصیت پیتر پارکر در مرد عنکبوتی سبب شد که بالا رفتن از دیوار آسان به نظر برسد، ولی تکرار آن حرکات عجیب وغریب در دنیای واقعیت، سال‌ها است که محققان را در تلاش برای بالا رفتن از دیوار نگه داشته است. دلیل این امر واضح است؛ دست‌کش و کفش‌های مرد عنکبوتی باید بتواند وزن یک انسان با ابعاد متوسط را در حالی‌که از آسمانخراش آویزان شده، تحمل کند.

اما برخلاف اغلب مردم، دانشمندان عنکبوت را برای الگوی بالا رفتن از دیوار نپسندیده‌اند. آنها مارمولک را ترجیح می‌دهند. در سال 2003، آندره جیم از دانشگاه منچستر در انگلیس، ماده‌ای را با موهای میکروسکوپی طراحی کرد که مشابه سطح پای مارمولک است. نیروی بین مولکولی واندروالسی، که در مقیاس‌های کوچک موثر است، باعث چسبیدن مو‌ها به دیوار می‌شود و از آنجاکه پای مارمولک از میلیون‌ها مو پوشیده شده، منجر به جاذبه قدرتمندی می‌شود که حیوان را روی دیوار نگه می‌دارد. مواد اولیه مویی که جیم ابداع کرده، از ماده‌ای به نام کپتون تشکیل شده است، و درصورتی که 1 سانتی‌متر مربع از آن محکم به سطحی قائم فشار داده شود، می‌تواند وزنه‌ای به جرم 1 کیلوگرم را نگه دارد.

ولی برای افزایش مقیاس این اختراع تا ابعاد کاربردی، مشکلاتی وجود دارد. برای مثال، برای پوشش دادن سطح لازم جهت نگه داشتن یک نفر، موها باید بلند باشند و مشکل موهای بلند، در هم پیچیده شدن آنها است. یکی از دانشمندان دانشگاه صنعتی تورین در ایتالیا راه‌حلی برای این مشکل یافته است. او در سال 2007، طرحی ارائه کرد که مشابه درخت صنوبر، متشکل از نانولوله‌های کربنی بلند در یک تنه و نانولوله‌های کوتاه‌تر در شاخه‌ها بود. وی با این ابتکار، دست‌کشی ساخت که هر جفت از آن حدود 10 کیلوگرم را تحمل می‌کرد.

با این وجود، طبیعت همچنان در این زمینه برتری دارد! چه ‌آن‌که کثیفی میان موهای مصنوعی ویژگی چسبناکی را کاهش می دهد، ولی پاهای مارمولک می‌تواند خود را تمیز کند.

5. شما هم انرژی تولید کنید
گوشی همراه شما یکی از اعجازهای عصر جدید است. با این حال فارغ از این که چه قابلیت‌هایی دارد، وقتی که شارژ باتری‌اش به انتها برسد، دیگر هیچ فایده‌ای ندارد. اما چقدر عالی می‌شد اگر از این باتری‌ها خلاص می‌شدید و تمام انرژی مورد نیاز وسیله الکترونیکی‌تان را از دنیای اطراف تامین می‌کردید؛ مثلا سیم شارژر آن را به لباستان می‌زدید!

چند ماه پیش، زیهونگ لین وانگ از موسسه فناوری جورجیا در آتلانتا، پارچه‌ای ساخت که از نانوسیم‌های اکسید‌‌روی بر رشته‌های کلوار بافته شده است. هر بار که این ماده خم یا مچاله می‌شود، جریان الکتریکی ضعیفی را تولید می‌کند. وانگ و گروهش دریافته‌اند که اگر هر پارچه‌ای را با نواری از این فلز بپوشانند، می‌توانند الکتریسیته حاصل را جمع کنند. با بهره‌گیری از این فناوری می‌توان انرژی دستگاه‌هایی را که در بدن انسان قرار می‌گیرند، مانند دستگاه تنطیم‌کننده ضربان قلب، از خود فرد گرفت.

گروهی به هدایت دیوید ترن در داشگاه استنفورد کالیفرنیا هم ژنراتوری ابداع کرده‌اند که از فعالیت قلب، الکتریسیته تولید می‌کند. تولید الکتریسیته توسط این دستگاه با جلو و عقب کردن یک آهن‌ربای ریز در سیم‌پیچی کوچک صورت می‌گیرد. آهن‌ربا در یک لوله سیلیکونی مملو از مایع با دو بالون متصل به هر دو انتها قرار گرفته و کل دستگاه در قلب جای می‌گیرد. وقتی قلب می‌تپد، بالون‌ها یکی پس از دیگری جمع می‌شوند و به مایع داخل لوله، نیرو وارد می‌کنند. نیروی وارد بر مایع سبب جلو و عقب شدن آهن‌ربا در لوله می‌شود.

اما جالب‌تر از هر دوی این روش‌ها، ابتکار آدام هلر از دانشگاه تگزاس در آستین است. او سلولی سوختی ساخته است که می‌تواند در رگ قرار بگیرد و از گلوکز خون به عنوان سوخت استفاده کند و جریان الکتریکی تولید کند.

بخش دوم این مطلب را با کلیک در اینجا دنبال کنید.

نیوساینتیست، مجلد ژانویه 2009- ترجمه: علیرضا نورایی

عدد باریونی

ذرات سنگین ، باریون نام دارند. چنانچه باریونها به حال خود رها شوند ، متلاشی می‌گردند. تنها باریون پایدار پروتون است. در تمام فرایندهای مشاهده شده ، تعداد باریونها همواره بقا دارد «قانون بقای باریون ΔN=0).قانون بقای باریون پایداری پروتونها را بیان می‌کند ، باریونی سبکتر از پروتون وجود ندارد. آزمایشات نشان داده‌اند که مدت زمانی که طول می‌کشد تا پروتون تلاشی یابد طولانی تراز 1022 سال ، یعنی <1012 بار طولانی تر از عمر جهان باشد. عدد بار یونی را با N نشان می‌دهند که برای باریونها (پروتون ، نوترون ، هیپرونها) N=+1 ، برای پاد باریونها N=-1 برای سایر ذرات مزونها ، لپتونها) N=0 ، برای هسته‌ها N>+1 ( N برابرعدد جرمی A است) و برای پاد هسته ها N<-1(Nبرابر –A است) می باشد.

تاريخچه ي فيزيك ذرات در طول دو قرن گذشته، دانشمندان به پيشرفت هاي بزرگي در فهم آنچه ما و جهان اطراف ما از آن ساخته شده ايم، دست يافته اند. نخست، درك اين مطلب بود كه ماده، از عناصر ي با خواص فيزيكي و شيميايي كاملا معين تشكيل شده است. اين عناصر در محدوده ي هيدروژن (به عنوان سبك ترين) و اورانيوم و عناصر فراتر از آن قرار دارند. هر عنصر از واحد هاي ساختماني – اتم ها – كه براي هر كدام منحصر به فرد مي باشد، تشكيل شده و اتم هاي گوناگون، مي توانند با هم تركيب شوند و تنوع بي شماري تركيبات، از ماده ي ساده اي مانند آب گرفته تا مواد پيچيده اي مانند پروتئين ها را به وجود بياورند. با اينحال، چنانچه دانشمندان در اواخر سده ي نوزدهم كشف كردند، اتم ها ساده ترين واحد هاي سازنده ي ماده نيستند. ما امروزه مي دانيم كه بيشتر جرم اتم در يك هسته ي كوچك، چگال و با بار مثبت متمركز شده است. ابر كوچكي از الكترون ها ي با بار منفي هسته را از فاصله اي دور احاطه كرده اند و بنابراين بيشتر فضاي اتم را فضاي خالي تشكيل مي دهد. در بيشتر اتم ها ، هسته حاوي دو نوع ذره با جرم تقريبا برابر است: پروتون هاي با بار مثبت و نوترون هاي بدون بار الكتريكي. براي خنثي نگه داشتن كل اتم، تعداد پروتون ها دقيقا با تعداد الكترون ها برابري مي كند. در ١٨٩٠، دو فيزيكدان به طور جداگانه، شروع به كاوش در فضاي داخل اتم نمودند. اولي، جوزف (‘J.J.’) تامسون نخستين ذره ي زير اتمي – الكترون - را كشف كرد كه در همين حين، يكي از شاگردان او به نام ارنست رادرفورد، آغاز به كاوش در پديده ي جديد راديواكتيويته، كه در آن اتم از يك نوع به نوعي ديگر تبديل مي شد نمود. اين كاوش ها سرانجام به كشف هسته ي اتم، در همكاري با هانس گايگر ( كه با شمارگر راديواكتيويته ي گايگر مشهور است) و ارنست مارسدن در ١٩١٠-١٩٠٩ منتهي گرديد. سپس رادرفورد دريافت كه ذرات با بار مثبت موجود در هسته ي اتم، با هسته ي هيدروژن يكسان اند. او اين ذرات را پروتون ناميد. و در ١٩٣٢، جيمز چادويك نشان داد كه هسته ها بايد شامل نوترون ها هم باشند. از آن زمان به بعد بود كه رادرفورد و همكاران او، تصوير نوين اتم را بنا نهادند. اين تنها شروع ماجرا بود. الكترون، پروتون و نوترون اعضاي پيش قراول رژه ي باشكوه ذرات زير اتمي بودند. در خلال دهه هاي ١٩٣٠و ٤٠، بسياري از فيزيكدانان به مطالعه ي تابش كيهاني – بارش مداوم ذرات زير اتمي پر انرژي كه از فضا نشات مي گرفتند – پرداختند. برخورد هاي تابش هاي كيهاني پر انرژي با ذرات جو زمين، موجب واپاشي هاي هسته اي مي شود كه آنها موجب توليد انواع جديدي از ذرات كوتاه عمر مي شوندكه تنها از طريق رد هاي بجا مانده در آشكارسازهاي حساس قابل مشاهده اند. از جمله ي اين ذرات مي توان از موئون كه كاملا شبيه الكترون رفتار مي كند اما ٢١٠ بار از آن سنگين تر است؛ پيون كه تنها اندكي از موئون سنگين تر است؛ كائون با جرمي اندكي بيش از نصف جرم پروتون؛ و لامبدا داراي جرمي %٢٠ بيش از پروتون نام برد.

 

هر نظریه جدید خواه ناخواه با خود یکسری نگرشهای جدی نسبت به عالم به ارمغان میاورد چنانچه نسبیت جهان کوچک ما ر ا وسعت بخشید وافق محدود عالم ما را تا میلیاردها سال نوری گسترش داد سکون را از عالم ما گرفت و برای خلقت آن، نقطه آغاز متصور گردید زمان مطلق را که ا ز ازل تایم شده بود و قرار بود تا ابد تیک تاک کند را درهم شکست و سرعت‌ها را که فیزیک کلاسیک رها کرده بود سامان داد و درچارچوب سرعت نور مهار کرد فیزیک کوانتومی نیز با خود همانند نظریه نسبیت دیدگاههای جدیدی نسبت به عالم نه با مقیاس نسبیت بلکه در مقیاس بسیار کوچکتر (اتمی و زیر اتمی) ارائه نمود .

ادامه مطلب

 

 در قرن هفدهم نيوتن با كارهايى كه بر روى نور انجام داد به اين نتيجه رسيد كه نور از ذره هاى كوچك تشكيل شده است. دانشمندان ديگر معتقد بودند كه ماهيت نور موج است. اما نفوذ نيوتن سبب شد كه نظريه او براى مدت ۲۰۰ سال مورد قبول با شد.

ادامه مطلب

چرا یک دقیقه به 60 ثانیه و یک ساعت به 60 دقیقه تقسیم شده در حالیکه شبانه روز تنها 24 ساعت است؟

مایکل لومباردی متخصص علوم مقیاسها و اوزان در بخش زمان و فرکانس موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی بولدر کلرادو به این سوال پاسخ میدهد

ادامه مطلب

فيزيك كوانتوم در هفت گام

نيلز بور (1962-1885)، از بنيانگذاران فيزيك كوانتوم، در مورد چيزي كه بنيان گذارده است، جمله اي دارد به اين مضمون كه اگر كسي بگويد فيزيك كوانتوم را فهميده، پس چيزي نفهميده است. من هم در اينجا مي خواهم چيزي را برايتان توضيح دهم كه قرار است نفهميد!

گام اول: تقسيم ماده

بياييد از يك رشته‌ي دراز ماكارونيِ پخته شروع كنيم. اگر اين رشته‌ي ماكاروني را نصف كنيم، بعد نصف آن را هم نصف كنيم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف كنيم و... شايد آخر سر به چيزي برسيم ــ البته اگر چيزي بماند! ــ كه به آن مولكولِ ماكاروني مي‌توان گفت؛ يعني كوچكترين جزئي كه هنوز ماكاروني است. حال اگر تقسيم كردن را باز هم ادامه بدهيم، حاصل كار خواص ماكاروني را نخواهد داشت، بلكه ممكن است در اثر ادامه‌ي تقسيم، به مولكول‌هاي كربن يا هيدروژن يا... بربخوريم. اين وسط، چيزي كه به درد ما مي خورد ــ يعني به دردِ نفهميدنِ كوانتوم! ــ اين است كه دست آخر، به اجزاي گسسته اي به نام مولكول يا اتم مي رسيم.

اين پرسش از ساختار ماده كه «آجرك ساختماني ماده چيست؟»، پرسشي قديمي و البته بنيادي است. ما به آن، به كمك فيزيك كلاسيك، چنين پاسخ گفته ايم: ساختار ماده، ذره اي و گسسته است؛ اين يعني نظريه‌ي مولكولي.

 

ادامه مطلب

بنا به نظريه کوانتومي ، امواج به ظاهر پيوسته الکترومغناطيسي ، کوانتيده‌اند و از کوانتومهاي گسسته‌اي به نام فوتون تشکيل شده‌اند که هر فوتون داراي انرژي مشخصي است که مقدار آن فقط به فرکانس بستگي دارد.

مقدمه

اين تعارض جوهر ماناي ذره گونه که با انتشار موج - ذره رخ مي‌دهد، نظريه کوانتوم توصيف عيني يابد، آنگاه مي‌توانيم موقعيتهاي آن را در لحظات پي در پي مشخص و مسير آن را معين کنيم. اما ذراتي که مسيرهاي مشخصي را طي مي‌کنند، مشخصه نقش تداخلي موج گونه آنها را براي هر نوع ماده‌اي که واقعا قابل مشاهده باشد، ايجاد نمي‌کند. در آزمايشگاه ، اين نقشها همچون نقشي از تيک تاکهاي آرايه‌اي از آشکار سازها مشاهده مي‌شود. تمهيدات مستند نظريه کوانتومي اين نقشها را بوسيله يک تابع موج در فرماليزم رياضي آن نظريه بوجود مي‌آورد.

اين تابع موج احتمال آشکار سازي يک تيک تاک را توصيف مي‌کند و چشم به راه يک شيء "حقيقي" نيست. بنابراين ، نظريه کوانتومي با نفي اينکه "موج" يا "ذره" "حقيقي" هستند، مسأله موج - ذره را حل مي‌کند. به علاوه ، نظريه کوانتومي با آنچه که از معاني متعارف و رسمي آنها برداشت مي‌شود. مفهوم ماده گاهي موج و گاهي ذره است را ندارد.

بر اساس اصل دوبروي ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌اي و موجي در نظر گرفته مي‌شود،
که البته اين خاصيت در دنياي ميکروسکوپي بيشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌اي به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.

واقعیت کوانتومهای نور

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از "پلانک" ، "آلبرت انیشتین" توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترون‌های اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

تأییدی دیگر بر وجود فوتون

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را بصورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط "کامپتون" انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر ، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریبا آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملا تطابق داشت.

جرم فوتون

واقعیت جرم فوتون ، به خاصیت عکس مجذوری قانون کولن بر می‌گردد. بر اساس قانون کولن ، نیروی الکتریکی که دو ذره باردار به یکدیگر وارد می‌کنند، نیرویی است که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. اما این مطالب در تمام شرایط دقیقا درست نیستند، یعنی در فواصل خیلی کوچکتر انحرافاتی وجود دارد و این نیرو دقیقا عکس مجذوری نیست. در این حالت باید فوتونها را ذراتی دارای جرم بدانیم. اما در موارد دیگر که تقریبا بیشتر موارد را شامل می‌شود، این نیرو دقیقا عکس مجذوری است. بنابراین در این حالت باید فوتونها را ذراتی بدون جرم تصور کنیم

 

اثر فوتوالکتریکی

اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش فیزیک امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترون های شتابدار از صفحه فلزی منتشر می شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترون های لایه ظرفیت اتم های فلز، انرژی زیادی دریافت می کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می کنند و به سمت آند پیش می روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده، اثر فوتو الکتریک می گویند. در واقع تمام مواد ( جامد، مایع و گاز ) می توانند در شرایط خاصی تحت تاثیر اثر فوتوالکتریک، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی، فوتوالکترون نیز می گویند.
اثر فوتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، اثری از فوتو الکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می دهد، یعنی گیسل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی کند.
این بن بستی بود برای دانشمندان در مورد خاصیت نور. تا اینکه انیشتین با ارائه نظریه خود در مورد فوتون، توانست این معما را حل کند. وی فرض کرد که انرژی در تمام فرکانس های موج به طور یکنواخت و یکسان توزیع نشده اند و بلکه فیزیک امواج به صورت بسته هایی از انرژی به نام کوانتم هستند، که بعداً فوتون نامیده شد. انرژی فوتون ها با فرکانس امواج رابطه مستقم دارد. که این معادله به معادله پلانک نیز مشهور است. در این معادله h ثابت پلانک است.

= فرکانس موج
در اثر فوتوالکتریک الکترون های لایه ظرفیت اتم های فلز، با دریافت انرژی موج از صفحه فلزی جدا می شوند، اما در لحظه جدا شدن الکترون های مقداری از انرژی خود را برای غلبه بر نیروی جاذبه الکتروستاتیکی، مصرف می می کنند که انیشتین آن را تابع کار فلز نامید و مقدار آن برای هر فلز، منحصر بفرد است. مقدار تابع کار هر فلز از از 1 تا 10 الکترون ولت متغیر است. پس حداکثر انرژی الکترون های گسیلی از معادله رابطه زیر دست می آید:

T= تابع کار

فوتوالكتریك

هانریش هرتز ، در حین انجام یك آزمایش مشاهده كرد كه هنگامی پرتوهای نور با طول‌موج بسیار كوتاه ، مانند فرابنفش ، به كلاهك فلزی یك برق‌نمای باردار منفی می‌تابد ، باعث تخلیه‌ی الكتروسكوپ می‌شود . آزمایش‌های دیگر نشان دادند كه این تخلیه‌ی الكتریكی ، به دلیل جدا شدن الكترون از سطح كلاهك فلزی روی داده است .

هرچه شار نوری ( انرژی كه در واحد زمان توسط نور انتقال می‌یابد )تابیده شده به الكتروسكوپ بیشتر باشد ، تخلیه سریع‌تر انجام می‌شود .

اگر شیشه‌ی جذب‌كننده‌ی تابش فرابنفش را در مسیر پرتوها قرار دهیم تخلیه ی الكتریكی مشاهده نمی‌شود

اگرالكتروسكوپ بار مثبت داشته باشد با تابش فرابنفش تخلیه نمی‌شود . یعنی با تابندن نور بر سطح فلز بار منفی از آن ناپدید می‌شود ولی به رغم تاباندن نور بر سطح فلز بار مثبت در آن باقی می ماند .


بقیه در ادامه مطلب...
ادامه مطلب

پديدة كامپتون


يكي از بهترين آزمايشاتي كه به وسيله آن مي توان خاصيت ذره اي نور را مشاهده كرد و دريافت، اثر كامپتون است. اين پديده را كه نمي توان آنرا در پرتو فيزيك كلاسيك توجيه كرد آرتور هالي كامپتون در سال 1922 كشف كرده است. وي طي آزمايشي نشان داد كه با تابيدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزي براق، الكترون ها و فوتون ها به صورت ذره اي با يكديگر برخورد مي كنند.

بقیه در ادامه مطلب...
ادامه مطلب

---

ادامه مطلب

 

 كشفيست مربوط به اواخر قرن نوزدهم .هاينريش هرتز بدنبال مطالعات خود درباره تابش‌هاي الكترومغناطيس كه ماكسول در سال هزار و هشتصد و شصت وجودشان را پيش‌‌بيني كرده بود دريافت كه در صورتي كه دو كرده باردار را تحت تاثير جرقه حاصل از يك منبع نوراني قرار دهيم نسبت به حالتي كه بخواهيم از جرقه الكتريكي براي اين كار استفاده كنيم بهتر قادر به تخليه بار الكتريكي اين كرات خواهيم بود.بنابراين نور بايد توانائي كندن الكترون ازسطح فلزات را داشته باشد با تحقيقات بيشتر هرتز متوجه شد كه گسيل الكترون از سطح فلز به طول موج نور تابيده شده بستگي دارد و ماگزيمم انرژي جنبشي الكترون هاي كنده شده (فوتوالكترونها) از شدت تابش مستقل است يعني  اگر با يك لامپ صدوات براي جدا كردن الكترون ها از سطح فلز استفاده كنيم الكترونهاي كنده شده همان مقدار انري جنبشي را بعد از جدا شدن از سطح فلز دارند كه الكترون هاي كند شده از سطح فلز توسط لامپي با دو برابر شدت تابش (لامپ دويست وات) دارند.همچنين انرژي جنبشي فوتو الكترونها با افزايش فركانس چشمه نور افزايش مي‌يابد گرچه اثر فوتو الكتريك را مي‌توان با نظريه الكترومغناطيس توضيح داد ولي به كمك اين نظريه نمي‌توانيم بستگي انرژي جنبشي فوتوالكترون ها را بافركانس چشمه نور شرح دهيم.هرتز هيچ توجيهي  براي اين ارتباط نتوانست ارائه دهد و فيزيكدانان هم عصر او نيز هرچه تلاش نمودنندتا به كمك فيزيك كلاسيك گره كور اين نسبت را باز كنند نتوانستند، فيزيك كلاسيك پيش‌بيني مي‌كرد كه هرچه شدت تابش چشمه نور بيشتر باشد بايد الكترون‌هاي كنده شده از انرژي جنبشي بيشتري برخوردار باشند و همچنين براساس نتايج فيزيك كلاسيك نور تابيده شده از هر طول موجي كه برخوردار باشد بايد قادر به آزاد سازي الكترون از سطح فلز باشد كه اين نتايج با مشاهدات صورت گرفته توسط هرتز مغايرت داشت.

سال 1905 اينشتين با اطلاع از نظريه كوانتومي پلانك به خوبي بن بست بوجود آمده در پديده فوتوالكتريك راازبين برد اين فرض پلانك مبني بر اين كه نور مجموعه اي از كوانتوم هاي انرژي است توانست به خوبي رابطه بين ماگزيموم انرژي جنبشي الكترونهاي كنده شده از سطح فلز را با فركانس نور تابيده شده توضيح دهد او دليل خود را اين گونه ارائه كرد

 

تابش شامل مجموعه اي از بسته ها يا كوانتوم هاي انرژي است كه بايد انرژي معادل hfبراي آنها درنظرگرفت(f فركانس نور تابيده شده است) اگر اين بسته هاي انرژي جذب سطح يك فلز شوند مقداري از انرژي اين بسته ها صرف غلبه بر سد پتانسيلي فلز شده (مقدار اين سد بستگي به نوع فلز دارد ) و ما بقي انرژي آنها به انرژي جنبشي الكترونها ي كنده شده مبدل مي شود بنابراين هرچه فركانس يك تابش بيشتر باشد مقدار انرژي آن با توجه به رابطه

  E= hf

بيشتر خواهد بود و مقدار باقي مانده انرژي فوتون تابيده شده به سطح فلز نيز افزايش مي يابد كه نهايتا صرف بالا بردن انرژي جنبشي الكترون هاي كنده شده ميشود به همين صورت متناسب بودن جريان فوتوالكترون با شدت چشمه نور نيز قابل توجيه است چراكه  كوانتوم هاي نور (فوتون) با افزايش شدت تابش چشمه نور افزايش مي يابند ودر اين صورت فوتونهاي بيشتري ازچشمه نور گسيل مي يابداين فوتون ها نيز به نوبه خود الكترونهاي بيشتري  را از سطح فلز جدا مي كنند، رابرت ميليكان نيز با انجام آزمايش هايي فرضيات ارائه شده توسط اينشتين را در مورد پديده فوتو الكتريك تاييد كرد ،اينشتين در سال 1921 ميلادي نه به خاطر بيان نسبيت ها بلكه به خاطر توضيح اثر فوتو الكتريك جايزه نوبل را دريافت كرد. 

 

بعد از اینکه پلانک فرمول اساسی خود را در مورد تابش جسم سیاه ارائه داد و چنین استدلال نمود که تابش دارای طبیعت کوانتومی‌ است، یعنی تابش الکترومغناطیسی از مجموعه‌ای از کوانتومهای انرژی به نام فوتون تشکیل شده است، تحول شگرفی در علم فیزیک حاصل شد. بطوری که با استفاده از این مفهوم اندرکنشهای مختلف تابش با ماده که نظریه کلاسیک در توجیه آنها ناتوان بود، بطور کامل تشریح گردید. از جمله این اندرکنشها ، اندرکنشی است که به نام فوتوالکتریک معروف است.







اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترونهای شتابدار از صفحه فلزی منتشر می‌شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترونهای لایه ظرفیت اتمهای فلز ، انرژی زیادی دریافت می‌کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می‌کنند و به سمت آند پیش می‌روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده ، اثر فوتو الکتریک می‌گویند. در واقع تمام مواد (جامد ، مایع و گاز) می‌توانند در شرایط خاصی تحت تأثیر اثر فوتوالکتریک ، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی ، فتوالکترون نیز می‌گویند.

اثر فتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می‌شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، که به آن بسامد قطع می‌گویند، اثری از فتوالکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک ، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می‌کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می‌شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می‌دهد، یعنی گسیل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی‌کند.

تاریخچه

در سال 1887 ، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالی که سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی ‌کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود.

ساختار فوتو الکتریک

یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا می‌باشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.

مشخصات اثر فوتوالکتریک

• هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.
  
  
• بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.
  
  
• انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.
  
  
• گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10^-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.
  
  
• اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند.

اساس کار فوتو الکتریک

انیشتین تابش را متشکل از مجموعه‌ای از کوانتومهایی با انرژی hv در نظر گرفت که در آن v فرکانس‌ نور و h ثابت پلانک معروف است. جذب تک کوانتوم بوسیله الکترون ، فرآیندی که ممکن است در زمانی کمتر از 10^-9 ثانیه صورت گیرد، انرژی الکترون را به اندازه hv افزایش می‌دهد. مقداری از این انرژی باید صرف جدا کردن الکترون از فلز شود. از طرف دیگر ، گفتیم که هر فلزی دارای یک فرکانس آستانه است که در فرکانسهای پایینتر از آن فتوالکتریک غیر ممکن است.

بنابراین اگر فرکانس‌ آستانه را با v₀ نشان دهیم، در این صورت کمیت w = hv₀ به عنوان تابع کار فلز تعریف می‌شود. بنابراین شرط ایجاد اثر فوتوالکتریک این است که hv (انرژی نور تابشی بر سطح کاتد) بیشتر یا مساوی w باشد. اگر سرعت الکترون گسیل شده از کاتد را با V نشان دهیم، همواره بین فرکانس‌ نور تابشی ، سرعت فتوالکترونها و تابع کار رابطه زیر برقرار است:




رابطه فوق از قانون بقای انرژی حاصل می‌گردد. این رابطه به فرمول انیشتین نیز معروف است. میلیکان آزمایشهای جامعی انجام داد و صحت فرمول انیشتین را تثبیت نمود. آنچه آزمایشهای میلیکان و پیشینیان ثابت کرد این بود که بعضی اوقات نور نظیر مجموعه‌ای از ذرات رفتار می‌کند و این ذرات می‌توانند بطور انفرادی عمل کنند، طوری که می‌توان به موجودیت یک تک فوتون فکر کرد و به دنبال خواص آن بود. (ماهیت ذره‌ای نور) نتیجه جنبی این آزمایشها حاکی از اطلاعاتی در مورد فلزات بود، آشکار شد که تابع کار W از مرتبه چند الکترون ولت است (1ev=1.6x10^-19j) و این می‌توانست با سایر خواص فلزات هم بسته باشد.

 

 

اثرفوتوالكتريك يك پديده ي الكترونيك كوانتومي است كه الكترون ها از ماده بعد از گرفتن انرژي از تشعشعات الكترومغناطيسي مانند اشعه ي X يا نور مرئي، جدا مي شوند. در اين مبحث الكترون هاي جدا شده را مي توان به عنوان فوتوالكترون ها مربوط دانست. اين پديده را به خاطر اين كه هنريش رادولف هرتز اين را كشف كرد، اثر هرتز هم مي نامند هر چند كه اين مورد به كلي خارج از استفاده ماند.

 

مطالعه ي اثرفوتوالكتريك ما را به قدم هايي مهم در درك خاصيت كوانتومي نور و الكترون ها هدايت مي كند و به شكل مفاهيم  دو گانگي موج-ذره اعتبار مي بخشد. اين بخش هم ممكن است به اثر فوتورسانايي يا اثر فوتو ولتائيك يا فوتوالكتروشيمي مربوط شود.

 بقیه در ادامه مطلب...

ادامه مطلب

خلاقیت یعنی اینکه به خودت این اجازه را بدهی تا اشتباه کنی. هنر یعنی دانستن اینکه کدام اشتباه را نگه داری.(Scott Adams)

هر کودکی هنرمند است. مشکل این است که چطور وقتی بزرگ می شویم هنرمند بمانیم.(Pablo Picasso)

علم بدون دین لنگ است. و دین بدون علم، کور. (آلبرت اینشتین)

انسان نباید از مرگ بترسد. چیزی که انسان باید از آن بترسد، هرگز شروع نکردن زندگی است. (Marcus Aurelius)

زندگی خیلی ساده است. ولی ما اصرار داریم که آنرا دشوار سازیم. (کنفوسیوس)

در واقع ما هرگز بزرگ نمی شویم. فقط یاد می گیریم که در اجتماع چگونه رفتار کنیم. (Bryan White)

نخستین انسانی که به جای پرتاب سنگ، فحش داد، آغازگر تمدن بشری بوده است. (Sigmund Freud)

اگر کودکی مان را روی زمین نگذرانده بودیم، هرگز نمی توانستیم زمین را دوست بداریم. (George Eliot)

بهترين کارها سه کار است :
تواضع بهنگام دولت، عفو هنگام قدرت و بخشش بدون منت. «رسول‌اکرم(ص)»

ميانه‌روی در خرج يک نيمه معيشت است،
دوستی با مردم يک نيمه عقل و خوب پرسيدن يک نيمه دانش. «رسول‌اکرم(ص)»

بنده آنی که در بند آنی. «ابوسعيد ابو‌الخير»

«بر هر چه همی لرزی می‌دان که همان ارزی
زين روی دل عاشق از عرش فزون باشد.» (مولوی)

«هيچ وقت با يه آدم احمق دهن به دهن نشو. چون كساني كه از بيرون نظاره‌گر اين دعوا هستند، احمق‌تر از اوني هستند كه بتونن تشخيص بدن حق با توئه يا اون.»

کار کنيد تا همه غصه‌ها و پريشانيهای خود را فراموش کنيد. (گاليله)

هيچ چيز بهتر از کار کردن بجای غصه خوردن، آدمی را به خوشبختی نزديک نمي‌سازد. «موريس مترلينگ»

نمی‌توانيم کاری کنيم که مرغان غم بالای سر ما پرواز نکنند اما می‌توانيم نگذاريم که روی سر ما آشيانه بسازند. «ضرب‌المثل چينی»

حتی ميمونها نيز گاهی از درخت می‌افتند. «ضرب‌المثل‌ژاپنی»

دل بی دوست درخت بی ثمر است. (حضرت علی (ع))

23 _ دو چيز انتها ندارد. حماقت انسانها و پهنه‌‌ی کهکشنها. که البته در مورد کهکشانها مطمئن نيستم! آلبرت انشتين