الرئيسية
البوابة
أحدث الصور
التسجيل
دخولموسوعة الفيزياء
موسوعة الفيزياء
من طرف المدير العام الجمعة يونيو 04, 2010 4:38 pm
الترانزستور
تمكّنت مختبرات شركة بل للهاتف، في
ميوري
هيلز في نيو جرزي بالولايات المتحدة، وبقيادة العالم وليم برادفورد شوكلي
(1910 ـ )
بمفاجأة دنيا الإلكترونات بصمام ثلاثي الاقطاب يعتمد كلياً على المواد
الصلبة،
كتب له أن يقضي مع الزمن على سيطرة الصمامات الإلكترونية الخوائية.
نتيجة لهذا العمل، تتمتّع جميع اجزاء العالم اليوم بامكانية استعمال اجهزة
راديو تعمل بالبطارية، نقالة وصغيرة الحجم وقليلة الكلفة.
الغرض منه تقويم وتكبير التيار المتردد.
تركيبه:
يتركب من ثلاث مناطق:
أ ـ الباعث وهو المنطقة التي القاعدة بحاملات
الشحنة (ثقوب
موجبة أو إلكترونات حرة) .
ب ـ القاعدة وهي المنطقة التي تقع بين الباعث والمجمع
وسمكها صغير جداً بالنسبة لهما كما أن درجة تركيز الشوائب بها تقل كثيراً
فيهما.
ونظراً لرقتها ونقص شوائبها فإنها تمرر معظم حاملات الشحنة التي تصلها من
الباعث
إلى المجمع، وبذلك لا يقل تيار المجمع عن تيار الباعث إلا قليلاً.
ج ـ المجمع وهو المنطقة التي تجمع حاملات الشحنة القادمة من القاعدة.
نوعا الترانزستور:
أ ـ نوع (س. م. س) .
وفيه يكون الباعث والمجمع من شبه موصل سالب النوع وتكون القاعدمن شبه موصل
موجب
النوع.
ب ـ نوع (م. س. م) .
وفيه يكون الباعث والمجمع من شبه موصل موجب النوع وتكون القاعدة منم شبه
موصل سالب
النوع.
9 ـ تصنع قاعدة الترانزستور رقيقة جداً ويوضع بها نسبة قليلة جداً من
الشوائب حتى
تمرّر معظم الشحنات من الباعث إلى المجمع.
10 ـ يجب أن توصل القاعدة مع الباعث توصيلاً أمامياً ويوصل المجمع مع
الباعث
توصيلاً عكسياً حتى تمر الشحنات من الباعث إلى القاعدة إلى المجمع
أشباه الموصلات
1 ـ تنقسم
المواد من حيث
قدرتها على توصيل التيار الكهربي إلى ثلاثة أقسام:
1 ـ مواد جيدة التوصيل: ـ مثل المعادن كالنحاس والفضة والرصاص.
(أ) يرجع جودة توصيلها للكهربية لاحتوائها على إلكترونات حرة بأعداد وفيرة.
(ب) تزداد مقاومتها بارتفاع درجة الحرارة.
2 ـ مواد عازلة مثل الزجاج والمطاط والبلاستيك، ترجع عدم توصيلها للكهرباء
لعدم
احتوائها على إلكترونات حرة.
3 ـ أشباه الموصلات مثل الجرمانيوم والسيليكون.
أ ـ هي مواد ليست جيدة التوصيل للكهرباء كالموصلات وليست عازلة تماماً
كالعازلات
ولكن قدرتها على التوصيل تحتل موقعاً متوسطاً بينهما.
ب ـ ترتبط ذراتها بعضها ببعض في البلورة بروابط تساهمية.
ج ـ تقل مقاومتها بارتفاع درجة الحرارة حيث تكون الطاقة الحرارية كافية
لكسر بعض
هذه الروابط وتحرير بعض الإلكترونات.
د ـ تعتمد في خواصها الكهربية على ما يضاف إليها من شوائب.
4 ـ يمكن جعل بلورة الجرمانيوم موصلة للكهرباء
بطريقتين:
أ ـ رفع درجة الحرارة.
ب ـ إضافة شوائب إلى البللورة النقية.
أولاً: رفع درجة الحرارة:
أ ـ في درجات الحرارة المنخفضة تكون الإلكترونات شديدة الإرتباط بذرات
الجرمانيوم
ويصعب تحريرها لذا تكون البلورة رديئة التوصيل للكهربية وتكون عازلة تماماً
عند
درجة الصفر المطلق.
ب ـ عند رفع درجة حرارة الجرمانيوم تصبح الطاقة الحرارية كافية لكسر بعض
الروابط
فتحرر بعض الإلكترونات وتصبح البلورة موصلة للكهربية، أي أن أشباه الموصلات
تتميز
بزيادة قدرتها على التوصيل الكهربي إرتفاع درجة الحرارة.
ثانياً: إضافة شوائب إلى البللورة النقية:
تزداد درجة التوصيل الكهربي لذرات الجرمانيوم في البلورة بإضافة نسبة قليلة
جداً من
بعض الشوائب إليها. وهذه الشوائب على نوعين مثل شائبة من عنصر خماسي
التكافؤ مثل
الزرنيخ وشائبة من عنصر ثلاثي التكافؤ مثل الألومنيوم.
5 ـ يعتمد التوصيل الكهربي في الجرمانيوم النقي الساخن على حركة كل من
الإلكترونات
والثقوب الموجبة.
6 ـ نحصل على الجرمانيوم الموجب النوع باستخدام شائبة ثلاثية التكافؤ مثل
الألومنيوم تسمى شائبة متقبلة، وتعمل على إحداث ثقوب موجبة ويتم التوصيل
الكهربي في
البلورة نتيجة لحركة هذه الثقوب الموجبة.
7 ـ نحصل على الجرمانيوم السالب النوع باستخدام شائبة خماسية التكافؤ مثل
الزرنيخ
تسمى شائبة معطية، وتعمل على تواجد إلكترونات حرة ويتم التوصيل الكهربي في
البلورة
نتيجة لحركة الإلكترونات الحرّة.
8 ـ مقارنة بين الجرمانيوم السالب والجرمانيوم الموجب.
9ـ تسمى شائبة الزرنيخ شائبة معطية
لأنها
تعمل على تواجد الإلكترونات الحرة. وتسمى بلورة الجرمانيوم التي تحتوي على
شوائب من
الزرنيخ بلورة من النوع السالب، وذلك لأن التوصيل الكهري يتم فيها عن طريق
الإلكترونات. وتكون البلورة من النوع السالب متعادلة كهربياً لأن الشحنات
الموجبة
لذرات الزرنيخ تتعادل مع الشحنات السالبة للإلكترونات المتحررة منه.
10 ـ تسمى شائبة الألومنيوم شائبة متقبلة لأنها تعمل على إحداث ثقوب موجبة
في
التشابك البلوري. وتسمى بلورة الجرمانيوم التي تحتوي على شوائب من
الألومنيوم بلورة
من النوع الموجب وذلك لأن التوصيل الكهربي يتم فيها عن طريق الثقوب
الموجبة. تكون
البلورة من النوع الموجب متعادلة كهربياً لأن الشحنات الموجبة للفجوات
تساوي
الشحنات السالبة لذرات المادة المتقبلة (الألومنيوم) .
أشهر التحويلات
الفيزيائية
أشهر الثوابت
الاستفادة من
النظائر
المشعة في الحياة
ـ التخلص من الشحنات الكهربية التي
تنشأ
على سطوح الأجسام نتيجة للاحتكاك عند تصنيعها، كما في مصانع النسيج والورق.
2 ـ تحديد سمك الأجسام كما في مصانع الورق والبلاستيك والأشرطة المعدنية.
3 ـ في الصناعات الكيميائية:
(أ) تساعد في إتمام عملية البلمرة التي يتكون فيها مركبات معقدة من مركبات
بسيطة.
(ب) زيادة سرعة التفاعلات الكيميائية البطيئة.
4 ـ في الصناعات الغذائية:
(أ) تعقيم المواد الغذائية بعد تعليبها (وهي الطريقة الباردة للتعقيم) .
(ب) قتل الأطوار المعدية لبعض الديدان التي توجد في أجسام الحيوانات، مثل
الطور
المعدي للدودة الشريطية التي توجد في لحوم الأبقار.
(ح) قتل الحشرات وأطوارها الموجودة في الحبوب والبذور قبل تخزينها.
5 ـ في الطب:
(أ) علاج الأورام السرطانية.
(ب) علاج الغدة الدرقية.
(ح) الكشف عن مواضع الأورام الخبيثة في الجسم ومناطق ضيق الشرايين في
الجسم.
(ء) تعقيم الأدوات الطبية والأدوية.
(هـ) الكشف عن الكسور في العظام.
6 ـ قياس الزمن:
يستخدم الكربون المشع ك وفترة نصف عمره (5760 سنة) في قياس الزمن لعدة آلاف
من
السنين، كما يستخدم اليورانيوم والثوريوم في قياس الزمن لعدة ملايين من
السنين.
7 ـ تتبع المواد المشعة داخل الأجسام:
باستقبال الإشعاعات الصادرة منها بواسطة بعض الأجهزة مثل عداد جيجر أو جهاز
السنتلوميتر، وتستخدم هذه الحقيقة فيما يأتي:
(أ) معرفة مواضع الكسور في الأنابيب المدفونة تحت سطح الأرض والتي تقوم
بتوصيل سائل
أو غاز.
(ب) معرفة مواضع الأورام الخبيثة في الجسم ومناطق ضيق الشرايين ومواضع
الكسور في
العظام.
(ح) في الأبحاث البيولوجية.
كيفية التعرف إلى موضع كسر في أنبوبة تنقل البترول مدفونة تحت سطح الأرض.
يضاف إلى البترول عند محطة الإرسال كمية ضئيلة من عنصر مشع ضعيف الإشعاعات
وفترة
نصف عمره قصيرة، ثم نتتبع سير المادة المشعة بأحد الأجهزة مثل عداد جيجر.
وعندما
تتسرب المادة المشعة من موضع الكسر يمكن استقبال الأشعة الصادرة منها
وتحديد الموضع
وإصلاحه.
الاندماج النووي
هو تفاعل يتم فيه اندماج نوى خفيفة
لتكوين
نوى أثقل ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى طاقة طبقاً لقانون آينشتين.
الوقود الاندماجي:
الوقود الاندماجي هو نظائر الهيدروجين وهو الديوتيريوم (يد) والتريتيوم
(يد) ونظار
الليثيوم (لث، لث) . ويحلظ أن الوقود الاندماجي يطلق عليه اسم الوقود
الكوني لأنه
موجود في النجوم.
مصادره:
1 ـ: الديوتيريوم (يد) يوجد في الماء الثقيل الذي يوجد في مياه البحار
والمحيطات
تكفي لإمداد البشرية بالطاقة لعدة ملايين من السنين. لذا فإن الديوتيريوم
هو وقود
المستقبل.
2 ـ التريتيوم (يد) وهو نادر الوجود ويحضر صناعياً بقذف الديوتيريم
بالنيوترونات،
وقذف البريليوم والليثيوم والبورون بالنيوترونات السريعة.
3 ـ نظائر الليثيوم توجد في الطبيعة.
الشروط اللازمة للاندماج النووي:
1 ـ رفع درجة حرارة الذرات إلى ملايين الدرجات المئوية لتتحول إلى حالة
البلازما،
وهي الحالة التي تظهر فيها النوى سابحة في وسط من الإلكترونات.
2 ـ استخدام ضغط كبير جداً يصل إلى مليارات الضغوط الجوية لتتغلب النوى
على
قوة التنافر بينها فتقترب النوى بعضها من بعض حتى يدخل كل منها في منطقة
جذب
الآخر فيحدث الاندماج النووي.
الانشطار النووي
الانشطار النووي هو تفاعل يتم فيه
انشطار
نواة ثقيلة إلى نواتين متقاربتين في الكتلة ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى
طاقة
طبقاً لقانون آينتشين.
الوقود الانشطاري هو اليورانيوم 235 والبلوتونيوم.
مصادره:
1 ـ اليورانيوم 235 ويوجد في الطبيعة مختلطاً مع نظائره وأهمها
اليورانيوم 238 بنسبة 1: 140 وزناً.
2 ـ البلوتونيوم وهو لا يوجد في الطبيعة ويحضر صناعياً في المفاعلات
النووية من
اليورانيوم 238.
التفاعل
المتسلسل:
هو التفاعل الذي يتم في كتلة معينة من اليورانيوم (235) أو
البلوتونيوم
عند قذفها بنيوترون فيشطر إحدى النوى ويخرج نيوترونات أو ثلاثة تشطر نوى
أخرى
فيزداد عدد النيوترونات الناتجة وبالتالي عدد النوى المنشطرة تدريجياً حتى
يتم شطر
كل نوى الكتلة المعينة وتنطلق طاقة هائلة.
شروط إتمام التفاعل المتسلسل في اليورانيوم:1 ـ أن يكون اليورانيوم 235
نقياً
وخالياً من اليورانيوم 238 الذي يأسر النيوترونات السريعة الناتجة من
انشطار
اليورانيوم 235 فلا يتم التفاعل المتسلسل.
2 ـ أن تكون كمية اليورانيوم ذات حجم لا يسمح بهروب النيوترونات ويحتفظ بها
داخل
كتلة اليورانيوم ليستمر التفاعل المتسلسل ويعرف هذا الحجم بالحجم الحرج.
الحجم الحرج:
هو الحجم المناسب لكتلة معينة من مادة قابلة للانشطار مثل (يو أو بلو) التي
إذا بدأ
بها تفاعل انشطاري فإنه يستمر تلقائياً في جميع نوى هذه الكتلة.
البصريات
دراسة الضوء تسمى البصريات, ولها
فرعان
كبيران: البصريات الفيزيائية والبصريات الهندسية.
يدرس الفيزيائيون في البصريات الفيزيائية طبيعة الضوء والعمليات الفيزيائية
التي
تتسبب في انطلاقه من الأجسام وانتقاله من مكان إلى آخر. أما البصريات
الهندسية فهي
دراسة كيفية انتقال الضوء وتأثير المواد المختلفة في اتجاه انتقاله. مثل
هذه
الدراسة مهمة لفهم تطبيقات مثل العدسات والمرايا التي تستخدم في المناظير
الفلكية
والمجاهر والنظارات.
وهناك فرع جديد في علم البصريات ظهر في نهاية السبعينات هو البصريات
اللاخطية. فمع
تطور أشعة الليزر أمكن الحصول على أنواع منها ذات شدة عالية وذات ترابط عال
بين
فوتوناتها. وتحدث هذه الأنواع عند سقوطها على الأوساط الشفافة تغييراً في
الخصائص
الضوئية لهذه الأوساط، كمعاملات الانكسار، والامتصاص، والاستقطاب، ويطلق
على الفرع
الذي يتناول هذه الخصائص الضوئية الحديثة البصريات اللاخطية، وتسمى هذه
الخصائص
الظواهر الضوئية اللاخطية.
وأهم الظواهر الضوئية اللاخطية هي: ثنائية الاستقرار الضوئي، وانعكاسية
الفعل،
واسترجاع صور الأشياء في ماضيها باستخدام مرايا اقتران طور الموجات.
البيتاترون
الإستخدام: يستخدم البيتاترون في
تعجيل
الإلكترونات، أي جعل سرعتها كبيرة جداً باستخدام مجال مغناطيسي متردد، ثم
توجّه بعد
ذلك إلى هدف من البلاتين لتوليد أشعة سينية ذات طاقة عالية تستخدم في
الأبحاث
النووية.
نظرية عمله:
تعتمد فكرة التعجيل على تغيّر شدة المجال المغناطيسي المتردد حيث تزداد
شدته
تدريجياً من صفر إلى نهاية عظمى في الربع الأول من ذبذبة التيار. وفي هذه
الأثناء
تكتسب الإلكترونات سرعة وطاقة متزايدة تصل إلى أقصاها في نهاية ربع
الذبذبة. أي في
زمن قدره 1/240 من الثانية. وعندها توجه نحو سلك من البلاتين لتصطدم به
فتتولد أشعة
سينية ذات طاقة عالية تستخدم في إحداث تفاعلات نووية.
الجهاز الذي يعجل الإلكترونات هو البيتاترون.
تركيب
الجهاز:
يتركب كما في الشكل من:
1 ـ أنبوبة زجاجية على شكل حلقة مفرغة من الهواء موضوعة في مستوٍ أفقي بين
قطبين
متقابلين لمغناطيس كهربي قوي يعمل بتيار متردد تردده 60 هيرتز، أي أن اتجاه
التيار
وكذلك اتجاه المجال المغناطيسي يتغيّر كل 1/120 من الثانية.
2 ـ يوجد بداخل الأنبوبة فتيلة من التنجستن تعمل كمصدر للإلكترونات، كما
يوجد أيضاً
بداخل الأنبوبة سلك من البلاتين يعمل كهدف توجّه إليه الإلكترونات بعد
تعجيلها
فتصطدم به فتولد أشعة سينية ذات طاقة عالية.
التأثير
البيولوجي
للإشعاعات النووية
ـ سقوط الشعر واحتراق الجلد.
2 ـ وقف قدرة الخلايا على الانقسام.
3 ـ تقليل مناعة الجسم ضد الأمراض.
4 ـ الإصابة بالشيخوخة المبكرة وانخفاض فترة العمر.
5 ـ ضعف الوظائف الحيوية للخلايا.
6 ـ حدوث اضطرابات في الجهاز العصبي.
7 ـ إحداث طفرات وراثية، أي صفات وراثية جديدة في الأبناء لا توجد في
الآباء.
8 ـ الإصابة بالسرطان عند التعرض للإشعاعات فترة طويلة.
العوامل التي يتوقف عليها الخطر الناتج من الإشعاعات:
1 ـ حساسية العضو المسلط عليه الإشعاع.
2 ـ قوة نفاذ الإشعاع.
3 ـ فترة نصف عمر المادة المشعة.
4 ـ قدرة الجسم على التخلص من المادة المشعة.
5 ـ إذا ركزت الجرعة المشعة على عضو واحد أو انتشرت على جميع الأعضاء.
6 ـ التأثير البيولوجي النسبي للإشعاع.
أعضاء الجسم الأكثر حساسية للإشعاعات النووية:
1 ـ الخلايا المكونة للدم في الطحال ونخاع العظام.
2 ـ الغدد اللعابية والجهاز الهضمي.
3 ـ النسيج المبطن للجلد وعدسة العين.
4 ـ الخلايا الجينية.
الجرعات المشعة القاتلة هي:
أ ـ 1000 رم إذا وصلت إلى الجسم تدريجياً.
ب ـ 400 رم إذا وصلت إلى الجسم مرة واحدة.
أقصى جرعة مشعة متراكمة = 5 (؟ ـ 18)
حيث (؟) هي عمر الإنسان.
التراسل
الضوئي
Optical Communication
لعل أول فكرة لاستخدام الضوء لنقل
المعلومات
قبل تكنولوجيا الألياف البصرية كان في إرسال ومضات ضوئية أطلق عليها شفرة
مورس
Morse . وكان لاكتشاف الليزر الفضل في إمكان التراسل الضوئي خلال الألياف
البصرية.
ففي شبكة التليفونات العادية تتحول الموجات الصوتية التي تدخل إلى
الميكروفون إلى
نبضات كهربائية، وتنتقل هذه النبضات خلال الأسلاك النحاسية إلى سماعة، حيث
تتحول
ثانية إلى موجات صوتية. أما في نظام التراسل الضوئي فيتم تحويل الموجات
الصوتية
التي تصل إلى ميكروفون التليفون إلى إشارات كهربية تنتقل من خلال مُشَفِّر
Encoder
ـ أي مكوّن للشفرة ـ يحولها إلى نبضات كهربائية يتم بها تشغيل جهاز ليزر
النبضات
فينتقل الضوء على هيئة سلسة من النبضات الضوئية خلال الألياف البصرية. وعند
نهاية
الرحلة يلتقط كاشف الضوء هذه النبضات ويحوّلها ثانية إلى نبضات كهربائية
تغذى قارىء
الشفرة Decoder الذي يترجمها إلى إشارات كهربائية ينتج عنها ذبذبات في
المُستَقْبل
يتولد عنها موجات صوتية. وتتمتع الألياف البصرية بأفضلية أكيدة على الأسلاك
النحاسية في أنها لا تسرِّب الضوء، في حين أنه يمكن تسريب المعلومات من
الأسلاك
النحاسية، كما تتخلص الألياف البصرية من التداخل بين الخطوط التليفونية،
وبهذا توفر
الأمان والحفاظ على سرية المعلومات ولا تسمح بالتصنت. ويستخدم في التراسل
الضوئي
ليزر Injection laser diode لكفاءته العالية وصغر حجمه وقدرته على التحمل.
وبتوفر
المكونات المطلوبة لنظم التراسل الضوئي أصبحت الآن تستخدم في التراسل
بالصوت
والصورة بين المباني والمركبات والوصلات بين أجهزة الكمبيوتر ومراكزه
وشبكات
الاتصالات العامة لخدمة الجمهور. وفي عام 1985 أعلنت المملكة المتحدة عن
مشروع
إقامة شبكة اتصالات ضوئية لخدمة الجمهور تُغطى المنطقة الوسطى من الجزيرة
البريطانية، وتقدمت لتنفيذ المشروع الشركات المتخصصة بعد أن وصلت الصناعة
إلى توفير
متطلبات نظام التراسل الضوئي طبقاً لمواصفات قياسية لمكونات الشبكة.
التفاعلات
النووية
هي التفاعلات التي تتم عند قذف نوى
ذرات
العناصر بجسيمات خاصة تعرف بالقذائف النووية.
أهميتها:
1 ـ التفاعلات النووية هي الوسيلة
لتحرير
الطاقة المخزنة في النواة.
2 ـ الحصول على عناصر مشعة.
3 ـ الحصول على قذائف نووية.
أنواع التفاعلات النووية:
يمكن
تقسيم
التفاعلات النووية إلى قسمين:
أولاً: حسب نوع القذيفة:
1 ـ تفاعلات البروتون المعجل.
2 ـ تفاعلات الديترون المعجل.
3 ـ تفاعلات دقيقة ألفا.
4 ـ تفاعلات النيوترون.
5 ـ تفاعلات الفوتونات.
6 ـ تفاعلات الأيونات الثقيلة.
ثانياً:
حسب نوع
التحول الناتج:
تفاعل الأسر:
وفيه تؤسر القذيفة بواسطة نواة الهدف وتخرج طاقة القذيفة بصورة فوتونات
جاما.
تفاعل الجسيم جسيم:
وفيه تقذف نواة الهدف بقذيفة فيتبخر منها أحد الجسيمات مثل بروتون أو
نيوترون أو
دقيقة ألفا.
تفاعل انشطاري:
وفيه تنشطر نواة ثقيلة إلى نواتين متقاربتين في الكتلة ويحدث نقص في الكتلة
يتحول
إلى طاقة كبيرة وخروج بعض النيوترونات مثل تفاعل انشطار يو بواسطة
نيوترونات بطيئة.
تفاعل اندماجي:
وفيه تندمج نواتين خفيفتين في نواة واحدة ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى
طاقة طبقاً
لقانون آينتشين، ومثال ذلك اندماج نظائر الهيدروجين وتكوين الهيليوم.
تفاعل تفتت:
ويحدث عند استعمال قذائف ذات طاقة عالية جداً، وفيه تنقسم النواة المركبة
إلى عدة
نوى صغيرة مختلفة عن بعضها في الكتلة.
ملاحظات:
1 ـ النيوترون أحسن القذائف النووية لأحداث التفاعل النووي.
لأنه جسيم متعادل لا يعاني تنافراً مع النواة فيصل إليها بسهولة ويحدث
التفاعل بأقل
الطاقات.
2 ـ الديترون أكفأ قذيفة نووية موجبة لإتمام التفاعل النووي.
لأن الديترون يتكون من بروتون ونيوترون يرتبطان برباط ضعيف. فعند قذف
الديترون على
نواة الهدف يمكن أن ينفصل البروتون عن النيوترون ويرتد بالتنافر بينما يصل
النيوترون إلى النواة ويحدث التفاعل النووي.
الجسيمات
الأولية
Elementary Particles
(الجسيمات الأساسية (Fundamental
Particles:
اسم جامع للجسيمات تحت الذرية التي تتكون منها المادة. والجسيمات الأساسية
بعضها
مستقر (stable) وهي الفوتون (Photon) والإلكترون (Electron) والنيوترينو
(Neutrino)
والبروتون (Proton) والنيوترون (Neutron) المقيد داخل نواة الذرة، أما
النيوترون
الحر خارج النواة فهو جسيم غير مستقر. وقد اكتشفت مجموعات أخرى من الجسيمات
حديثاً
في الأشعة الكونية (Cosmic Radiation)، كما تم اكتشاف بعضها أثناء تجارب
الطاقة
العالية باستخدام معجلات الجسيمات عالية الطاقة.
ويمكن تصنيف الجسيمات الأساسية وفقاً لأسس مختلفة، مثل نوع التفاعلات التي
تسهم
فيها هذه الجسيمات. فالهادرونات (Hadrons)[أي الباريونات (Baryons)
والميزونات
(Mosons)]تدخل في التفاعلات القوية) Strong Interactions)، أما اللبتونات
(Leptons)
فتدخل فقط في التفاعلات الضعيفة (Weak Interactions)[إلا إذا كان اللبتون
يحمل شحنة
كهربائية فإنه يدخل في التفاعلات الكهرومغنطيسية) Electro-magnetic
Interations)].
وتستقل الفوتونات كمجموعة منفردة بين مجموعات الجسيمات الأولية، ولقد
اكتشفت في
الستينات من هذا القرن مجموعة من الجسيمات التي تعتبر جسيمات أولية، إذ
يعتقد أنها
هي اللبنات الأولية التي تتكون منها المادة، تلك هي الكواركات. والفكرة
الأساسية هي
أن جميع الهادرونات يمكن أن تتكون من ثلاثة كواركات (انظر: الكوارك) .
ويتوقف متوسط
عمر الجسيم غير المستقر على ما إذا كان ينحل بتفاعل قوى (ويكون متوسط العمر
حوالي
10 ـ 23 ثانية) أو بتفاعل كهرمغنطيسي (حوالي 10 ـ 16 ثانية) أو بتفاعل ضعيف
(حوالي
10 ـ 6 ثانية إلى 10 ـ 10 ثانية) والوحدة التي تقدر بها كتلة الجسيم
الأساسي هي
كتلة السكون للإلكترون.
الدفع
Propulsion
الدفع هو العلم الذي يختص بتوليد
قوة يمكنها
تحريك جسم ما. ويبنى الدفع مبدئياً على قانون نيوتن المثلث[قوانين نيوتن
للحركة]القائل بأن لكل فعل رد فعل مساويا له في المقدار ومضاد له في
الاتجاه. ومثل
محرك الطائرة يوضح ذلك، فبينما يقوم المحرك. بزيادة كمية تحرك جزء من
الهواء
المحيط، وهو ما يصحبه أحياناً كارتفاع في ضغطه، تتولد قوة دفع على الطائرة
في
الاتجاه المضاد.
وتنقسم. أنظمة الدفع لمصدر الوسط الداسر (المسير) . فالمركبات التي تسير في
وسط ما
كالهواء (الطائرات) أو الماء (السفن والغواصات) عادة ما تستغل بعضاً من ذلك
الوسط
في توليد قوة الدفع بتغير كمية تحركه. أما المركبات التي تسبح في الفضاء
الخارجي
كسفن الفضاء فليس لها إلا أن تحمل معها زادها من الوسط الداسر وهو ما يشكل
في الوقت
نفسه الوقود الذي يسمى بالوقود الداسر.
وتختلف مصادر الطاقة اللازمة للدفع فعادة ما تصدر من التفاعلات الكيميائية
التي
تحدث أثناء احتراق خليط من وقود ومؤكسد مثلما يحدث في أنظمة الدفع
الكيميائية.
وأكثر أنواع ذلك الوقود شيوعاً هو الذي ينتمي إلى سائله الهيدروكربرنات
كالبنزين
والكيروسين والمازوت. وتعتمد بعض أنظمة الدفع الكيميائية على الأوكسيجين
المتوفر في
الهواء الجوي ـ أنظمة متنفسة الهواء ـ كما في معظم محركات الطائرات، بينما
تحمل
أخرى مخزونها من المواد المؤكسدة ـ أنظمة غير متنقسة الهواء ـ كما في
المحركات
الصاروخية. وفي أحيان قليلة تؤالف بعض المحركات بين الطريقتين فتستغل ولو
جزئياً
الأكسيجين الجوى.
وتعتبر الطاقة النووية من مصادر الطاقة غير الشائعة في أنظمة الدفع، حيث
يستعمل
مائع في تبريد مفاعل نووى ممتص للحرارة الناتجة عن عمليات الانشطار النووى.
ويمكن
استغلال ارتفاع طاقة هذا المائع مباشرة كوسط داسر أو غير مباشرة في إدارة
تربين
يدور بدورة الوحدة الدافعة النووية في حين لم تزل التطبيقات الطيرانية في
مراحل
التطوير.
ولعل النوع الثالث لمصادر الطاقة وهو الكهربائية هو أبعدها عن التطبيق في
مجالات
الدفع التقليدية[الدفع الأيونى، الدفع الاكترو ماجنتيك، الدفع المغنا
هيدروديناميكى]بيد أنه ذو قيمة في آفاق التنقل بين الكواكب!.
ويهتم علم الدفع بتلبية الطلب على قوة الدفع (دفع) للجسم المتحرك. ويتباين
ذلك
الطلب بحسب طبيعة الحركة. حيث تحتاج تلك الحركة إلى التغلب على مقاومة
الوسط المحيط
وكذلك على القصور الذاتي للجسم وزيادة طاقة وضعه. ويختلف الطلب على قوة
الدفع
بتباين ظروف الأداء ما بين سرعات وارتفاعات وكذلك بحسب معدلات التغير
فيهما.
وبازدياد هذه التباينات فإن محركات الدفع تواجه تحدياً قاسياً لتلبية تلك
المتطلبات
مع الاحتفاظ بمعدلات كفاءة مرتفعة في الوقت نفسه.
وتقاس كفاءة المحركات عادة بمعدلات استهلاكها للوقود، فبالنسبة للمحركات
التي
تستعمل الهواء الجوى أو الماء المحيط بها كوسط داسر فإن كفاءة استهلاك
الوقود تقاس
بالاستهلاك النوعي للوقود، أما المحركات الصاروخية التي تحمل الوسط الداسر
معها فإن
الكفاءة المرادفة هي الدفع النوعي. غير أن كفاءة استهلاك الوقود ليست هي
العامل
الأوحد للحكم على مدى ملاءمة محرك ما لاداء المهمة المناطة به فيشمل ذلك
عوامل أخرى
كالوزن، الحجم، الثمن، تكاليف الصيانة وغيرها...
ويشمل نظام الدفع الأجزاء الخاصة بتوليد قوة الدفع، وهي المكون الرئيسي
للمحرك،
بالإضافة إلى أجزاء وأنظمة فرعية تعمل على خدمتها، كنظام التحكم ـ نظام
تغذية
الوقود ـ نظام التزييت ـ نظام التبريد ـ نظام البدء،... ويتناول الدفع أداء
وتصميم
وتشغيل وصيانة هذه الأنظمة.
الديناميكا
الحرارية
Thermodynamics
الديناميكا الحرارية فرع يهتم
بدراسة
التغيرات في الطاقة التي تصاحب العمليات الكيميائية والفيزيائية, وتتعلق
الديناميكا
الحرارية ببحث كيفية إنتاج الحرارة وانتقالها من موقع إلى آخر وتأثيرها على
المادة
وكيفية تخزينها. ويمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى أنواع أخرى من الطاقة
وبالعكس.
فعند احتراق الفحم الحجري على سبيل المثال, يتحول جزء من الطاقة الكيميائية
التي
تربط بين جزيئاته إلى حرارة. وتشمل الدينامية الحرارية أيضاً علم التقريس
الذي يدرس
المواد عند درجات منخفضة جداً من الحرارة. ومبادئ الدينامية الحرارية
ضرورية لفهم
كل أنواع الآلات الحرارية, التي تشمل آلات الديزل والبنزين والبخار كما
تشمل آلات
أجهزة التبريد.
وتمكننا الديناميكا الحرارية من أن نتوقع إمكانية حدوث التفاعل الكيميائي
تلقائياً
تحت ظروف معينة، وبذلك فإنه يمكننا توفير كثير من الجهد والوقت والمال ببعض
حسابات
الديناميكا الحرارية. كذلك يمكن باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية تعيين
مدى
تلقائية التفاعل من خلال تعيين موضع الاتزان وحساب ثابت الإتزان. وتتلخص
الديناميكا
الحرارية في قوانين ثلاثة تسمى القانون الأول، والثاني، والثالث للديناميكا
الحرارية. القانون الأول هو قانون بقاء الطاقة، حيث ينص على أن الطاقة لا
تفنى ولا
تستحدث ولكنها يمكن أن تتحول من صورة إلى أخرى، فمثلاً إذا اختفت كمية من
الطاقة
الميكانيكية فإنها يمكن أن تظهر في صورة كمية مساوية لها من الطاقة
الحرارية.
والقانون الأول لا يضع قيوداً على أي تغير كيميائي أو فيزيائي إلا من حيث
بقاء
الطاقة. والقانون الثاني يضع الأساس لتحديد إمكانية توقع تلقائية مثل هذا
التغير.
وهو يؤدي إلى حقيقة أن جميع العمليات الطبيعية تميل إلى السير تلقائياً نحو
حالة
الاتزان ويمكن الحصول على دوال الحالات لما يسمى الطاقة الداخلية للنظام E
والمحتوى
الحراري للنظام H كتطبيق على القانون الأول. ويمكن الحصول على دالة تسمى
الإنتروبى
S من القانون الثاني وهي دالة حالة، وتعتمد على الحالة الموجود عليها
النظام بغض
النظر عن طريقة الوصول إلى هذه الحالة. والإنتروبى يمكن تفسيره على أنه
مقياس
للعشوائية أو عدم الترتيب لأي نظام. فالنظام الأقل ترتيباً له إنتروبى أعلى
والأكثر
ترتيباً له إنتروبى أقل. وحيث أن عدم الترتيب أكثر احتمالاً من الترتيب فإن
أية
عملية تكون تلقائية في التحول من الترتيب إلى عدم الترتيب أي من الحالة ذات
الإنتروبى الأقل إلى الحالة ذات الإنتروبى الأكبر، أي أن العملية التلقائية
تكون
مصحوبة بزيادة في الإنتروبى ولهذا ينص القانون الثاني على أن أية عملية
تلقائية
تكون مصحوبة بزيادة في الإنتروبى. ومن البديهي أن نلاحظ أنه عندما تمتص
مادة
الحرارة فإن عشوائية جزيئات هذه المادة تزداد وبالتالي يمكننا القول إن
إنتروبى
المواد يزداد بارتفاع درجة الحرارة وينقص بانخفاضها. وحيث أن البلورة هي
أكثر صور
المادة ترتيباً فهي أقلها من ناحية الإنتروبى، وعند الصفر المطلق تكون
جزيئات
المادة في البلورة في قمة الترتيب. وبالتالي تكون منخفضة الأنتروبى ومن هنا
ينتج
القانون الثالث الذي ينص على أنه «عند الصفر المطلق فإن إنتروبى البلورة
المثالية
(الكاملة) يكون صفراً.
السيكلوترون
تركيب
السيكلوترون:
يتركب السيكلوترون من الأجزاء التالية:
1 ـ القلب:
ويتكون من غرفتين معدنيتين مجوفتين (د 1، د 2) كل منهما على شكل حرف (D)،
وتحصر
الغرفتان بينهما فجوة طولية صغيرة.
2 ـ مصدر للجسيمات المراد تعجيلها:
وهي البروتونات أو الديوترونات أو جسيمات ألفا، وتوضع في منتصف الفجوة
الطولية بين
الغرفتين.
3 ـ مصدر لفرق جهد متردد عالي التردد:
تتصل الغرفتان بمصدر جهد متردد (100000) فولت وتردده 10 مليون هيرتز يعمل
على توليد
مجال كهربي متغير الاتجاه في الفجوة بين (د 1، د 2) .
4 ـ الأسطوانة المعدنية:
يوضع القلب داخل أسطوانة معدنية بحيث يكون معزولاً عنها، ويفرغ الهواء من
الأسطوانة
ومن الغرفتين حتى لا تتصادم جزيئات الهواء مع الجسيمات المعجلة فتنحرف عن
مسارها
وتفقد جزءاً من طاقتها.
5 ـ المغناطيس الكهربي:
توضع الأسط وانة بما فيها بين قطبي مغناطيس كهربي قوي بحيث يكون اتجاه
مجاله
المغناطيسي عمودياً على مستوى سطحيها.
6 ـ اللوح الحارف:
وهو لوح معدني سالب الشحنة يعمل على جذب الجسيمات الموجبة في نهاية مسارها
الحلزوني
عند خروجها من فتحة القلب ويوجهها إلى الهدف للتفاعل معه.
يستخدم لتعجيل الجسيمات الموجبة مثل البروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا،
فتزداد
سرعتها إلى درجة كبيرة جداً فيمكن استخدامها كقذائف توجه نحو نوى الذرات في
تجارب
النشاط الإشعاعي الصناعي.
وتعتمد فكرة التعجيل على تغير اتجاه المجال الكهربي في الفجوة بين الغرفتين
(د 1، د
2) . فعندما يعبر الجسيم الفجوة يكتسب سرعة وطاقة، فإذا تكررت هذه العملية
عدة مرات
تزداد طاقته تدريجياً حتى تصل طاقته إلى أقصاها في نهاية مسارة فيوجه نحو
الهدف
لإحداث التفاعل النووي.
شرح نظرية عمله:
1 ـ عند تشغيل فرق الجهد العالي المتردد يعمل على تغيير اتجاه المجال
الكهربي في
الفجوة بين الغرفتين كل نصف دورة من دورات التيار. وعندما يكون جهد (د 1)
سالباً
وجهد (د 2) موجباً، يتحرك الجسيم الموجب من منتصف الفجوة (م) إلى (د 1)
بتأثير
المجال الكهربي الموجود في المسافة بين الغرفتين بقوة قدرها س ح، فيكتسب
الجسيم
طاقة تعمل على زيادة سرعته الخطية (ع) فيدخل الغرفة (د 1) .
2 ـ نظراً لأن الغرفة (د 1) مجوفة فإن شدة المجال الكهربي بداخلها = صفر
فلا يؤثر
على الجسيم داخل الغرفة سوى المجال المغناطيسي بقوة (س م ع) . تعمل القوة
المغناطيسية على تحريك الجسيم داخل الغرفة (د 1) في مسار دائري لتقطع نصف
دورة في
نصف الزمن الدوري للتيار المتردّد.
3 ـ في اللحظة التي يُتم الجسيم نصف دورة يتبدل الجهد بين الغرفتين، أي
يتبدل اتجاه
المجال الكهربي، فتصبح (د 1) موجبة و(د 2) سالبة. فيندفع الجسيم نحو (د 2)
فيتم
تعجيله أثناء عبوره الفجوة بواسطة المجل الكهربي مرة ثانية. ونتيجة لذلك
يكتسب
الجسيم عجلة وتزداد سرعته الخطية.
4 ـ يدخل الجسيم الغرفة (د 2) بسرعة أكبر ويتحرك في مسار دائري ذي نصف قطر
أكبر
ويقطعه في نصف الزمن الدوري للتيار المتردد.
5 ـ وهكذا يتكرر ما سبق ويكتسب الجسيم مزيداً من الطاقة في كل لحظة يعبر
فيها
الفجوة. وتتزايد تبعاً لذلك سرعته الخطية (ع) ونصف قطر مساره الدائري فيدور
في مسار
حلزوني حتى يصبح نصف قطر مساره الدائري مساوياً لنصف قطر الغرفة وتصل طاقته
إلى
أقصاها. فيخرج الجسيم في نهاية مساره من الفتحة المخصصة لذلك فيمر بالقرب
من اللوح
الحارف فيوجه بواسطة اللوح الحارف نحو الهدف.
ملاحظة:
أ ـ السيكلوترون لا يعجل النيوترونات لأنها متعادلة كهربياً، أي
غير
مشحونة، وبذلك لا تتأثّر بالمجال الكهربي وهو الذي يقوم بعملية التعجيل.
كما أنه لا
يعجل الإلكترونات بسبب الزيادة النسبية الكبيرة في كتلة الإلكترونات عند
اكتسابها
للطاقة، وبذلك لا يستطيع الإلكترون أن يقطع القوس الدائري داخل الغرفتين في
نصف زمن
ذبذبة التيار فلا يمكن تعجيله لأن التيار يغيّر اتجاهه قبل وصول الإلكترون
إلى
الفجوة.
ب ـ يعمل على تعجيل الإلكترونات مما يكسبها طاقة إضافية في كل دورة كما
يعمل على أن
تتحرك في مسار دائري ذي نصف قطر ثابت.
أقصى سرعة للأيون المعجّل بواسطة السيكلوترون.
أقصى سرعة (ع) قصوى = م. س. س/ك
الصمامات
ومقوماتها
الصمام الثنائي هو ابسط انواع
الانابيب
الخوائية (2 ـ أ)، وهو يستطيع تغيير تيار متناوب (مثل تيار المولد الرئيسي)
إلى
سلسلة من النبضات (تيار مستمر) بعملية معروفة بالتقويم. يعطي الصمام
الثنائي ذو
الانود الواحد تقويما نصف موجيّ (2 ـ ب) . لكن فعّالية العملية تتحسّن
بتقويم
الموجة الكاملة (2 ـ ح) . للحصول على تيار مستمر خال من النبضات، يمكن وصل
التيار
النابض بعناصر اضافية في الدائرة، كالمكثّفات وصمامات الخنق، التي تجعله
«املس».
أصبح من العادي اليوم الاستغناء عن الصمامات الثنائية لاستبدالها بالمواد
النصف
موصّلة الصلبة. فجميع الدوائر الحديثة تقريباً في الأدوات المنزلية
الكهربائية تصنع
من اجزاء صلبة.
مع أن الصمام الصلب الثنائي (2 ـ ج) هو أصغر بكثير من الصمام الخوائي
المعادل له،
فانه يقوم تماماً بوظيفة التقويم ذاتها، عندما يستعمل في دوائر من النوع
ذاته (2 ـ
ث)، مع هذا الفرق انه ليس مجهّزاً بفتيلة (مسخّن) .
فضلاً عن ذلك، استطاع المخترع الامريكي لي دي فورست (1873 ـ 1961) تحسين
الصمام
الثنائي عندما توصل عام 1906 إلى التحكّم بسيل الإلكترونات بين المصعد
(الكاثود)
والمهبط (الانود)، وذلك باضافة إلكترود ثالث إلى الصمام (3) . ثم توصّل،
باستعمال
عدد مناسب من العناصر الأخرى. كالمكثفات والمقاومات في الدائرة الكهربائية
إلى جعل
الصمام الثلاثي صالحاً ليقوم بوظيفة مضخّم للفلطيّة (3 ـ ب) .
الصوتيات
دراسة الصوت تسمى الصوتيات. ويتكون
الصوت من
الاهتزازات التي ينتجها جسم وتنتقل خلال وسط, مثل الهواء أو الماء أو جدران
المباني. وفهم الصوت مهم لتصميم القاعات الكبيرة ومعينات السمع ومسجلات
الأشرطة
وأجهزة الفونوغراف ومكبرات الصوت. وتشمل دراسة الصوت كذلك الموجات فوق
الصوتية التي
تختص بالاهتزازات التي تكون تردداتها أعلى من مدى السمع البشري.
الطاقةالطاقة هي القدرة على بذل شغل
أنواع
الطاقة:
1 ـ الطاقة الديناميكية وتشمل طاقة الوضع وطاقة الحركة.
طاقة الوضع:
هي قدرة الجسم على بذل شغل نتيجة وضعه وتساوي مقدار الشغل الذي بذل لإعطاء
الجسم
وضعه.
طاقة الحركة:
هي قدرة الجسم على بذل شغل نتيجة حركته وتساوي نصف كتلته مضروبة في مربع
سرعته.
2 ـ الطاقة الحرارية:
هي صورة الطاقة الحركية المبددة بالاحتكاك.
3 ـ الطاقة الداخلية:
هي الطاقة التي يمتلكها الجسم نتيجة تركيبة الكيميائي المميز له أي هي طاقة
الروابط
الكيميائية وتظهر هذه الطاقة في التفاعلات الكيميائية على هيئة حرارة أو
حرارة وضوء
مثل حرق الفحم ونواتج البترول.
قانون
بقاء
الطاقة:
الطاقة لا تفنى ولا تستحدث.
مصادر الطاقة:
1 ـ الشمس.
2 ـ الطاقة النووية.
3 ـ الوقود الحفري: وهو الفحم والبترول والغاز الطبيعي.
وحدات قياس الطاقة:
كل أنواع الطاقة تقاس بالجول وهناك وحدات أخرى مثل الأرج والسعر والإلكترون
فولت.
1 ـ الطاقة الديناميكية تقاس بالأرج والجول:
الأرج: هو الشغل المبذول بقوة قدرها (1) داين لمسافة (1) سم.
الجول: هو شغل = 10 مليون أرج = 107أرج.
2 ـ الطاقة الحرارية تقاس بالسعر:
هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء 1°م من 14,5°م
إلى
15,5°م.
3 ـ الطاقة النووية تقاس بالإلكترون فولت:
الإلكترون فولت: هو الطاقة التي يكتسبها الإلكترون تحت تأثير فرق جهد
مقداره واحد
فولت أو هو الشغل اللازم لنقل إلكترون بين نقطتين فرق الجهد بينهما (1)
فولت ويرمز
له بالرمز (أ.ف) .
العلاقة بين المادة والطاقة:
أثبت آينشتين عام 1905 أن الطاقة والكتلة صورتان مختلفتان لشيء واحد ومن
الممكن
تحويل كل منهما إلى الأخرى. ولحساب الطاقة المكافئة لأي كتلة أو العكس
استخدام
آينشتين المعادلة الآتية:
حيث (ط) الطاقة بالأرج، (ك) الكتلة بالجرام، (ع) سرعة الضوء بالسنتيمترات
في
الثانية وتساوي 3 × 1010 سم/ث.
الفيزياء الذرية
والجزيئية وفيزياء الإلكترون
تعنى بمحاولات فهم التركيب الذري
والجزيئي
وحركة الإلكترونات وخواصها.
وتركز هذه الدراسات بصفة خاصة, على سلوك وترتيب وحركة وطاقة الإلكترونات
التي تدور
حول النوى الذرية. وقد كشفت البحوث في الفيزياء الذرية والجزيئية وفيزياء
الإلكترون
عن الكثير فيما يخص تركيب المادة.
على سبيل المثال, تأكد للعلماء أن المواد يختلف بعضها عن الآخر في ترتيب
الذرات في
الجزيئات. وبسبب هذا الاختلاف نجد أن الطريقة التي تمتص بها المادة
الكهرومغنطيسية
وتبثها مختلفة في كل مادة عن الأخرى.
ونتيجة لهذا يتمكن العلماء من تمييز المادة بناء على النشاط الكهرومغنطيسي
وحده.
ولهذه الطريقة في تمميز المواد تطبيقات مهمة في الطب وفي الحالات المعينة
التي تنشأ
في الصناعة عندما تكون كميات المادة المعينة قليلة جداً.
الفيزياء
النووية
تعنى بدراسة تركيب وخصائص النواة
الذرية,
وتركز بصفة خاصة على النشاط الإشعاعي والانشطار والاندماج. والنشاط
الإشعاعي عو
العملية التي بموجبها تطلق بعض النوى تلقائياً جسيمات عالية الطاقة أو
أشعة.
وتستخدم المواد المشعة لعلاج السرطان ولتشخيص الأمراض ولمتابعة العمليات
الكيميائية
والفيزيائية.
والانشطار هو عملية انقسام النواة الذرية إلى جزءين متساويين تقريباً مع
إطلاق قدر
هائل من الطاقة. ومن الانشطار تأتي طاقة القنابل الذرية والمفاعلات
النووية.
أما الاندماج فهو عملية التحام نواتي ذرتين لتكونا نواة عنصر أثقل, ويحدث
بالدرجة
الأولى في حالة الهيدروجين والعناصر الخفيفة الأخرى. وتنتج عملية الاندماج,
التي
تطلق أكبر من طاقة الانشطار, طاقة القنبلة الهيدروجينية.
القدرة
إذا قام بأحد العمال مثلاً برفع عدد
من
أكياس الإسمنت إلى سطح عمارة في زمن معين، وقام عامل ثانٍ برفع العدد نفسه
من
الأكياس في زمن أقل، نقول إن العامل الثاني أقدر على انجاز الشغل من العامل
الأول،
لأنه أنجز الشغل المطلوب في زمن أقل.
تعرف القدرة بأنها معدّل الشغل المبذول في وحدة الزمن.
وتقاس القدرة بوحدة الواط.
الواط: قدرة قوة أو آلة تنجز شغلاً مقداره جول واحد في ثانية واحدة.
ومن مضاعفات الواط: الكيلو واط= 1000 واط.
الحصان الميكانيكي = 746 واط = 3/4 كيلو واط.
يعد الحصان الميكانيكي الوحدة العملية للقدرة، فهو قدرة آلة تُنجز شغلاً
مقداره
(746) جولاً في الثانية الواحدة.
القنبلة الذرية (الانشطارية)
نظرية عمل
القنبلة
الذرية:
1 ـ يستخدم فيها كمية من اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم ذات حجم
أكبر
قليلاً من الحجم الحرج.
2 ـ تقسم هذه الكمية إلى عدة أجزاء لكل منها حجم أقل من الحجم الحرج وتوضع
بعيدة
بعضها عن بعض بمسافات مناسبة.
3 ـ يوضع في منطقة تجمع اليورانيوم مواد مولدة للنيوترونات مثل خليط من صخر
الراديوم وعنصر البريليوم.
4 ـ ولإحداث الانفجار، تفجر أولاً المواد المتفجرة فتتجمع أجزاء
اليورانيوم. وفي
لحظة تجمعها يصبح الحجم أكبر قليلاً من الحجم الحرج فيبدأ التفاعل المتسلسل
بأحد
النيوترونات، ويتم في زمن قصير جداً. وتنطلق طاقة هائلة تكافىء قوة انفجار
(20) ألف
طن منم مادة (T.N.T) أقوى مادة متفجرة.
العوامل التي تتركز فيها القوة التدميرية للقنبلة الذرية:
تتركز القوة التدميرية للقنبلة الذرية في العوامل الأربعة الآتية:
1 ـ صدمة الانجفار:
وهي الصدمة التي تنشأ نتيجة تولد ضغط هائل في لحظة الانفجار وتسبب التدمير
الكلي
والجزئي في دائرة قطرها 3,5 كيلومترات من مركز الانفجار.
2 ـ الإشعاع الحراري:
وهي الطاقة الحرارية الناتجة من انشطار نوى اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم
وتسبب
حرائق شديدة.
3 ـ الإشعاعات النووية:
وتشمل فوتونات جاما ذات الطاقة العالية والنيوترونات السريعة وتسبب موت
الكائنات
الحية في دائرة قطرها حوالي 2 كيلومتر من مركز الانفجار.
4 ـ المتخلفات المشعّة:
وهي نواتج انشطار اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم، وتشمل أكثر من (30)
نظيراً مشعاً
وتعرف (بالغبار الذري) . وينقلها الهواء إلى مسافات مختلفة، وهي تشع بيتا
السالبة
التي تسبب أضراراً كثيرة للإنسان (انظر التأثير البيولوجي للإشعاعات
النووية) .
القنبلة
الهيدروجينية
(القنبلة الحرارية)
تحتوي القنبلة الهيدروجينية على
قنبلة ذرية
وعلى نظائر الهيدروجين الديوتيريوم والتريتيوم، وقد يضاف إليها نظير
الليثيوم لث.
وتحاط نظائر الهيدروجين والقنبلة الذرية بأغلفة قد يصنع أحدها من يورانيوم
238.
تفجير القنبلة الهيدروجينية والتفاعلات الاندماجية التي تحدث فيها:
تفجر أولاً القنبلة الذرية فتتولد عنها ملايين الدرجات المئوية ومليارات
الضغوط
الجوية فتندمج نظائر الهيدروجين ثم ينشطر اليورانيوم 238 بالنيوترونات
السريعة جداً
الناتجة من عملية الاندماج وتكون محصلة هذه التفاعلات الثلاثة طاقة كبيرة.
التفاعلات الاندماجية (النووية الحرارية) التي تتم في القنبلة
الهيدروجينية.
القوة التدميرية للقنبلة الهيدروجينية:
1 ـ أقوى ألف مرة من القنبلة الذرية.
2 ـ تسبب تدميراً كاملاً لمسافة 10 أميال، ويصل تأثيرها الحراري إلى عشرين
ميلاً.
3 ـ ينتشر غبارها الذري إلى ارتفاع 30 ألف قدم فوق سطح الأرض ويسبب
التهابات شديدة
قد تؤدي إلى الوفاة.
4 ـ من أخطر المواد المشعة الناتجة من الانفجار نظير الأسترونشيوم ست وله
فترة نصف
عمر حوالي 27 سنة. وإذا سقط على الأرض يمتص من التربة بواسطة النباتات،
وينتقل من
النباتات إلى الحيوانات ويتجمع في أجسامها تدريجياً. وعندما يتغذى الإنسان
على
ألبانها أو لحومها، يتجمع في جسمه العنصر المشع ويترسب في عظامه. وإذا زادت
نسبته
في العظام فإنه يسبب سرطان العظام ويدمر الأنسجة ويؤدي إلى الوفاة.
ملحوظة:
التفاعلات الاندماجية يطلق عليها التفاعلات النووية الحرارية لأنها لا يتم
إلا في
درجات الحرارة العالية.
أهم المشاكل في استخدام التفاعلات النووية الحرارية (أي مشاكل ترويض الطاقة
الهيدروجينية) كمصدر للطاقة في الحياة السلمية:
1 ـ كيف
تمكّنت مختبرات شركة بل للهاتف، في
ميوري
هيلز في نيو جرزي بالولايات المتحدة، وبقيادة العالم وليم برادفورد شوكلي
(1910 ـ )
بمفاجأة دنيا الإلكترونات بصمام ثلاثي الاقطاب يعتمد كلياً على المواد
الصلبة،
كتب له أن يقضي مع الزمن على سيطرة الصمامات الإلكترونية الخوائية.
نتيجة لهذا العمل، تتمتّع جميع اجزاء العالم اليوم بامكانية استعمال اجهزة
راديو تعمل بالبطارية، نقالة وصغيرة الحجم وقليلة الكلفة.
الغرض منه تقويم وتكبير التيار المتردد.
تركيبه:
يتركب من ثلاث مناطق:
أ ـ الباعث وهو المنطقة التي القاعدة بحاملات
الشحنة (ثقوب
موجبة أو إلكترونات حرة) .
ب ـ القاعدة وهي المنطقة التي تقع بين الباعث والمجمع
وسمكها صغير جداً بالنسبة لهما كما أن درجة تركيز الشوائب بها تقل كثيراً
فيهما.
ونظراً لرقتها ونقص شوائبها فإنها تمرر معظم حاملات الشحنة التي تصلها من
الباعث
إلى المجمع، وبذلك لا يقل تيار المجمع عن تيار الباعث إلا قليلاً.
ج ـ المجمع وهو المنطقة التي تجمع حاملات الشحنة القادمة من القاعدة.
نوعا الترانزستور:
أ ـ نوع (س. م. س) .
وفيه يكون الباعث والمجمع من شبه موصل سالب النوع وتكون القاعدمن شبه موصل
موجب
النوع.
ب ـ نوع (م. س. م) .
وفيه يكون الباعث والمجمع من شبه موصل موجب النوع وتكون القاعدة منم شبه
موصل سالب
النوع.
9 ـ تصنع قاعدة الترانزستور رقيقة جداً ويوضع بها نسبة قليلة جداً من
الشوائب حتى
تمرّر معظم الشحنات من الباعث إلى المجمع.
10 ـ يجب أن توصل القاعدة مع الباعث توصيلاً أمامياً ويوصل المجمع مع
الباعث
توصيلاً عكسياً حتى تمر الشحنات من الباعث إلى القاعدة إلى المجمع
أشباه الموصلات
1 ـ تنقسم
المواد من حيث
قدرتها على توصيل التيار الكهربي إلى ثلاثة أقسام:
1 ـ مواد جيدة التوصيل: ـ مثل المعادن كالنحاس والفضة والرصاص.
(أ) يرجع جودة توصيلها للكهربية لاحتوائها على إلكترونات حرة بأعداد وفيرة.
(ب) تزداد مقاومتها بارتفاع درجة الحرارة.
2 ـ مواد عازلة مثل الزجاج والمطاط والبلاستيك، ترجع عدم توصيلها للكهرباء
لعدم
احتوائها على إلكترونات حرة.
3 ـ أشباه الموصلات مثل الجرمانيوم والسيليكون.
أ ـ هي مواد ليست جيدة التوصيل للكهرباء كالموصلات وليست عازلة تماماً
كالعازلات
ولكن قدرتها على التوصيل تحتل موقعاً متوسطاً بينهما.
ب ـ ترتبط ذراتها بعضها ببعض في البلورة بروابط تساهمية.
ج ـ تقل مقاومتها بارتفاع درجة الحرارة حيث تكون الطاقة الحرارية كافية
لكسر بعض
هذه الروابط وتحرير بعض الإلكترونات.
د ـ تعتمد في خواصها الكهربية على ما يضاف إليها من شوائب.
4 ـ يمكن جعل بلورة الجرمانيوم موصلة للكهرباء
بطريقتين:
أ ـ رفع درجة الحرارة.
ب ـ إضافة شوائب إلى البللورة النقية.
أولاً: رفع درجة الحرارة:
أ ـ في درجات الحرارة المنخفضة تكون الإلكترونات شديدة الإرتباط بذرات
الجرمانيوم
ويصعب تحريرها لذا تكون البلورة رديئة التوصيل للكهربية وتكون عازلة تماماً
عند
درجة الصفر المطلق.
ب ـ عند رفع درجة حرارة الجرمانيوم تصبح الطاقة الحرارية كافية لكسر بعض
الروابط
فتحرر بعض الإلكترونات وتصبح البلورة موصلة للكهربية، أي أن أشباه الموصلات
تتميز
بزيادة قدرتها على التوصيل الكهربي إرتفاع درجة الحرارة.
ثانياً: إضافة شوائب إلى البللورة النقية:
تزداد درجة التوصيل الكهربي لذرات الجرمانيوم في البلورة بإضافة نسبة قليلة
جداً من
بعض الشوائب إليها. وهذه الشوائب على نوعين مثل شائبة من عنصر خماسي
التكافؤ مثل
الزرنيخ وشائبة من عنصر ثلاثي التكافؤ مثل الألومنيوم.
5 ـ يعتمد التوصيل الكهربي في الجرمانيوم النقي الساخن على حركة كل من
الإلكترونات
والثقوب الموجبة.
6 ـ نحصل على الجرمانيوم الموجب النوع باستخدام شائبة ثلاثية التكافؤ مثل
الألومنيوم تسمى شائبة متقبلة، وتعمل على إحداث ثقوب موجبة ويتم التوصيل
الكهربي في
البلورة نتيجة لحركة هذه الثقوب الموجبة.
7 ـ نحصل على الجرمانيوم السالب النوع باستخدام شائبة خماسية التكافؤ مثل
الزرنيخ
تسمى شائبة معطية، وتعمل على تواجد إلكترونات حرة ويتم التوصيل الكهربي في
البلورة
نتيجة لحركة الإلكترونات الحرّة.
8 ـ مقارنة بين الجرمانيوم السالب والجرمانيوم الموجب.
| الجرمانيوم السالب | الجرمانيوم الموجب |
| البلورة تحتوي على شائبة من عنصر خماسي التكافؤ مثل الزرنيخ | البلورة تحتوي على شائبة من عنصر ثلاثي التكافؤ مثل الألومنيوم |
| تعمل شائبة الزرنيخ على تواجد إلكترونات حرة في التشابك البلوري | تعمل شائبة الألومنيوم على إحداث ثقوب موجبة في التشابك البلوري |
| يعتمد التوصيل الكهربي فيه على الإلكترونات الحرة | يعتمد التوصيل الكهربي فيه على الثقوب الموجبة |
9ـ تسمى شائبة الزرنيخ شائبة معطية
لأنها
تعمل على تواجد الإلكترونات الحرة. وتسمى بلورة الجرمانيوم التي تحتوي على
شوائب من
الزرنيخ بلورة من النوع السالب، وذلك لأن التوصيل الكهري يتم فيها عن طريق
الإلكترونات. وتكون البلورة من النوع السالب متعادلة كهربياً لأن الشحنات
الموجبة
لذرات الزرنيخ تتعادل مع الشحنات السالبة للإلكترونات المتحررة منه.
10 ـ تسمى شائبة الألومنيوم شائبة متقبلة لأنها تعمل على إحداث ثقوب موجبة
في
التشابك البلوري. وتسمى بلورة الجرمانيوم التي تحتوي على شوائب من
الألومنيوم بلورة
من النوع الموجب وذلك لأن التوصيل الكهربي يتم فيها عن طريق الثقوب
الموجبة. تكون
البلورة من النوع الموجب متعادلة كهربياً لأن الشحنات الموجبة للفجوات
تساوي
الشحنات السالبة لذرات المادة المتقبلة (الألومنيوم) .
أشهر التحويلات
الفيزيائية
أشهر الثوابت
الاستفادة من
النظائر
المشعة في الحياة
ـ التخلص من الشحنات الكهربية التي
تنشأ
على سطوح الأجسام نتيجة للاحتكاك عند تصنيعها، كما في مصانع النسيج والورق.
2 ـ تحديد سمك الأجسام كما في مصانع الورق والبلاستيك والأشرطة المعدنية.
3 ـ في الصناعات الكيميائية:
(أ) تساعد في إتمام عملية البلمرة التي يتكون فيها مركبات معقدة من مركبات
بسيطة.
(ب) زيادة سرعة التفاعلات الكيميائية البطيئة.
4 ـ في الصناعات الغذائية:
(أ) تعقيم المواد الغذائية بعد تعليبها (وهي الطريقة الباردة للتعقيم) .
(ب) قتل الأطوار المعدية لبعض الديدان التي توجد في أجسام الحيوانات، مثل
الطور
المعدي للدودة الشريطية التي توجد في لحوم الأبقار.
(ح) قتل الحشرات وأطوارها الموجودة في الحبوب والبذور قبل تخزينها.
5 ـ في الطب:
(أ) علاج الأورام السرطانية.
(ب) علاج الغدة الدرقية.
(ح) الكشف عن مواضع الأورام الخبيثة في الجسم ومناطق ضيق الشرايين في
الجسم.
(ء) تعقيم الأدوات الطبية والأدوية.
(هـ) الكشف عن الكسور في العظام.
6 ـ قياس الزمن:
يستخدم الكربون المشع ك وفترة نصف عمره (5760 سنة) في قياس الزمن لعدة آلاف
من
السنين، كما يستخدم اليورانيوم والثوريوم في قياس الزمن لعدة ملايين من
السنين.
7 ـ تتبع المواد المشعة داخل الأجسام:
باستقبال الإشعاعات الصادرة منها بواسطة بعض الأجهزة مثل عداد جيجر أو جهاز
السنتلوميتر، وتستخدم هذه الحقيقة فيما يأتي:
(أ) معرفة مواضع الكسور في الأنابيب المدفونة تحت سطح الأرض والتي تقوم
بتوصيل سائل
أو غاز.
(ب) معرفة مواضع الأورام الخبيثة في الجسم ومناطق ضيق الشرايين ومواضع
الكسور في
العظام.
(ح) في الأبحاث البيولوجية.
كيفية التعرف إلى موضع كسر في أنبوبة تنقل البترول مدفونة تحت سطح الأرض.
يضاف إلى البترول عند محطة الإرسال كمية ضئيلة من عنصر مشع ضعيف الإشعاعات
وفترة
نصف عمره قصيرة، ثم نتتبع سير المادة المشعة بأحد الأجهزة مثل عداد جيجر.
وعندما
تتسرب المادة المشعة من موضع الكسر يمكن استقبال الأشعة الصادرة منها
وتحديد الموضع
وإصلاحه.
الاندماج النووي
هو تفاعل يتم فيه اندماج نوى خفيفة
لتكوين
نوى أثقل ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى طاقة طبقاً لقانون آينشتين.
الوقود الاندماجي:
الوقود الاندماجي هو نظائر الهيدروجين وهو الديوتيريوم (يد) والتريتيوم
(يد) ونظار
الليثيوم (لث، لث) . ويحلظ أن الوقود الاندماجي يطلق عليه اسم الوقود
الكوني لأنه
موجود في النجوم.
مصادره:
1 ـ: الديوتيريوم (يد) يوجد في الماء الثقيل الذي يوجد في مياه البحار
والمحيطات
تكفي لإمداد البشرية بالطاقة لعدة ملايين من السنين. لذا فإن الديوتيريوم
هو وقود
المستقبل.
2 ـ التريتيوم (يد) وهو نادر الوجود ويحضر صناعياً بقذف الديوتيريم
بالنيوترونات،
وقذف البريليوم والليثيوم والبورون بالنيوترونات السريعة.
3 ـ نظائر الليثيوم توجد في الطبيعة.
الشروط اللازمة للاندماج النووي:
1 ـ رفع درجة حرارة الذرات إلى ملايين الدرجات المئوية لتتحول إلى حالة
البلازما،
وهي الحالة التي تظهر فيها النوى سابحة في وسط من الإلكترونات.
2 ـ استخدام ضغط كبير جداً يصل إلى مليارات الضغوط الجوية لتتغلب النوى
على
قوة التنافر بينها فتقترب النوى بعضها من بعض حتى يدخل كل منها في منطقة
جذب
الآخر فيحدث الاندماج النووي.
الانشطار النووي
الانشطار النووي هو تفاعل يتم فيه
انشطار
نواة ثقيلة إلى نواتين متقاربتين في الكتلة ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى
طاقة
طبقاً لقانون آينتشين.
الوقود الانشطاري هو اليورانيوم 235 والبلوتونيوم.
مصادره:
1 ـ اليورانيوم 235 ويوجد في الطبيعة مختلطاً مع نظائره وأهمها
اليورانيوم 238 بنسبة 1: 140 وزناً.
2 ـ البلوتونيوم وهو لا يوجد في الطبيعة ويحضر صناعياً في المفاعلات
النووية من
اليورانيوم 238.
التفاعل
المتسلسل:
هو التفاعل الذي يتم في كتلة معينة من اليورانيوم (235) أو
البلوتونيوم
عند قذفها بنيوترون فيشطر إحدى النوى ويخرج نيوترونات أو ثلاثة تشطر نوى
أخرى
فيزداد عدد النيوترونات الناتجة وبالتالي عدد النوى المنشطرة تدريجياً حتى
يتم شطر
كل نوى الكتلة المعينة وتنطلق طاقة هائلة.
شروط إتمام التفاعل المتسلسل في اليورانيوم:1 ـ أن يكون اليورانيوم 235
نقياً
وخالياً من اليورانيوم 238 الذي يأسر النيوترونات السريعة الناتجة من
انشطار
اليورانيوم 235 فلا يتم التفاعل المتسلسل.
2 ـ أن تكون كمية اليورانيوم ذات حجم لا يسمح بهروب النيوترونات ويحتفظ بها
داخل
كتلة اليورانيوم ليستمر التفاعل المتسلسل ويعرف هذا الحجم بالحجم الحرج.
الحجم الحرج:
هو الحجم المناسب لكتلة معينة من مادة قابلة للانشطار مثل (يو أو بلو) التي
إذا بدأ
بها تفاعل انشطاري فإنه يستمر تلقائياً في جميع نوى هذه الكتلة.
البصريات
دراسة الضوء تسمى البصريات, ولها
فرعان
كبيران: البصريات الفيزيائية والبصريات الهندسية.
يدرس الفيزيائيون في البصريات الفيزيائية طبيعة الضوء والعمليات الفيزيائية
التي
تتسبب في انطلاقه من الأجسام وانتقاله من مكان إلى آخر. أما البصريات
الهندسية فهي
دراسة كيفية انتقال الضوء وتأثير المواد المختلفة في اتجاه انتقاله. مثل
هذه
الدراسة مهمة لفهم تطبيقات مثل العدسات والمرايا التي تستخدم في المناظير
الفلكية
والمجاهر والنظارات.
وهناك فرع جديد في علم البصريات ظهر في نهاية السبعينات هو البصريات
اللاخطية. فمع
تطور أشعة الليزر أمكن الحصول على أنواع منها ذات شدة عالية وذات ترابط عال
بين
فوتوناتها. وتحدث هذه الأنواع عند سقوطها على الأوساط الشفافة تغييراً في
الخصائص
الضوئية لهذه الأوساط، كمعاملات الانكسار، والامتصاص، والاستقطاب، ويطلق
على الفرع
الذي يتناول هذه الخصائص الضوئية الحديثة البصريات اللاخطية، وتسمى هذه
الخصائص
الظواهر الضوئية اللاخطية.
وأهم الظواهر الضوئية اللاخطية هي: ثنائية الاستقرار الضوئي، وانعكاسية
الفعل،
واسترجاع صور الأشياء في ماضيها باستخدام مرايا اقتران طور الموجات.
البيتاترون
الإستخدام: يستخدم البيتاترون في
تعجيل
الإلكترونات، أي جعل سرعتها كبيرة جداً باستخدام مجال مغناطيسي متردد، ثم
توجّه بعد
ذلك إلى هدف من البلاتين لتوليد أشعة سينية ذات طاقة عالية تستخدم في
الأبحاث
النووية.
نظرية عمله:
تعتمد فكرة التعجيل على تغيّر شدة المجال المغناطيسي المتردد حيث تزداد
شدته
تدريجياً من صفر إلى نهاية عظمى في الربع الأول من ذبذبة التيار. وفي هذه
الأثناء
تكتسب الإلكترونات سرعة وطاقة متزايدة تصل إلى أقصاها في نهاية ربع
الذبذبة. أي في
زمن قدره 1/240 من الثانية. وعندها توجه نحو سلك من البلاتين لتصطدم به
فتتولد أشعة
سينية ذات طاقة عالية تستخدم في إحداث تفاعلات نووية.
الجهاز الذي يعجل الإلكترونات هو البيتاترون.
تركيب
الجهاز:
يتركب كما في الشكل من:
1 ـ أنبوبة زجاجية على شكل حلقة مفرغة من الهواء موضوعة في مستوٍ أفقي بين
قطبين
متقابلين لمغناطيس كهربي قوي يعمل بتيار متردد تردده 60 هيرتز، أي أن اتجاه
التيار
وكذلك اتجاه المجال المغناطيسي يتغيّر كل 1/120 من الثانية.
2 ـ يوجد بداخل الأنبوبة فتيلة من التنجستن تعمل كمصدر للإلكترونات، كما
يوجد أيضاً
بداخل الأنبوبة سلك من البلاتين يعمل كهدف توجّه إليه الإلكترونات بعد
تعجيلها
فتصطدم به فتولد أشعة سينية ذات طاقة عالية.
التأثير
البيولوجي
للإشعاعات النووية
ـ سقوط الشعر واحتراق الجلد.
2 ـ وقف قدرة الخلايا على الانقسام.
3 ـ تقليل مناعة الجسم ضد الأمراض.
4 ـ الإصابة بالشيخوخة المبكرة وانخفاض فترة العمر.
5 ـ ضعف الوظائف الحيوية للخلايا.
6 ـ حدوث اضطرابات في الجهاز العصبي.
7 ـ إحداث طفرات وراثية، أي صفات وراثية جديدة في الأبناء لا توجد في
الآباء.
8 ـ الإصابة بالسرطان عند التعرض للإشعاعات فترة طويلة.
العوامل التي يتوقف عليها الخطر الناتج من الإشعاعات:
1 ـ حساسية العضو المسلط عليه الإشعاع.
2 ـ قوة نفاذ الإشعاع.
3 ـ فترة نصف عمر المادة المشعة.
4 ـ قدرة الجسم على التخلص من المادة المشعة.
5 ـ إذا ركزت الجرعة المشعة على عضو واحد أو انتشرت على جميع الأعضاء.
6 ـ التأثير البيولوجي النسبي للإشعاع.
أعضاء الجسم الأكثر حساسية للإشعاعات النووية:
1 ـ الخلايا المكونة للدم في الطحال ونخاع العظام.
2 ـ الغدد اللعابية والجهاز الهضمي.
3 ـ النسيج المبطن للجلد وعدسة العين.
4 ـ الخلايا الجينية.
الجرعات المشعة القاتلة هي:
أ ـ 1000 رم إذا وصلت إلى الجسم تدريجياً.
ب ـ 400 رم إذا وصلت إلى الجسم مرة واحدة.
أقصى جرعة مشعة متراكمة = 5 (؟ ـ 18)
حيث (؟) هي عمر الإنسان.
التراسل
الضوئي
Optical Communication
لعل أول فكرة لاستخدام الضوء لنقل
المعلومات
قبل تكنولوجيا الألياف البصرية كان في إرسال ومضات ضوئية أطلق عليها شفرة
مورس
Morse . وكان لاكتشاف الليزر الفضل في إمكان التراسل الضوئي خلال الألياف
البصرية.
ففي شبكة التليفونات العادية تتحول الموجات الصوتية التي تدخل إلى
الميكروفون إلى
نبضات كهربائية، وتنتقل هذه النبضات خلال الأسلاك النحاسية إلى سماعة، حيث
تتحول
ثانية إلى موجات صوتية. أما في نظام التراسل الضوئي فيتم تحويل الموجات
الصوتية
التي تصل إلى ميكروفون التليفون إلى إشارات كهربية تنتقل من خلال مُشَفِّر
Encoder
ـ أي مكوّن للشفرة ـ يحولها إلى نبضات كهربائية يتم بها تشغيل جهاز ليزر
النبضات
فينتقل الضوء على هيئة سلسة من النبضات الضوئية خلال الألياف البصرية. وعند
نهاية
الرحلة يلتقط كاشف الضوء هذه النبضات ويحوّلها ثانية إلى نبضات كهربائية
تغذى قارىء
الشفرة Decoder الذي يترجمها إلى إشارات كهربائية ينتج عنها ذبذبات في
المُستَقْبل
يتولد عنها موجات صوتية. وتتمتع الألياف البصرية بأفضلية أكيدة على الأسلاك
النحاسية في أنها لا تسرِّب الضوء، في حين أنه يمكن تسريب المعلومات من
الأسلاك
النحاسية، كما تتخلص الألياف البصرية من التداخل بين الخطوط التليفونية،
وبهذا توفر
الأمان والحفاظ على سرية المعلومات ولا تسمح بالتصنت. ويستخدم في التراسل
الضوئي
ليزر Injection laser diode لكفاءته العالية وصغر حجمه وقدرته على التحمل.
وبتوفر
المكونات المطلوبة لنظم التراسل الضوئي أصبحت الآن تستخدم في التراسل
بالصوت
والصورة بين المباني والمركبات والوصلات بين أجهزة الكمبيوتر ومراكزه
وشبكات
الاتصالات العامة لخدمة الجمهور. وفي عام 1985 أعلنت المملكة المتحدة عن
مشروع
إقامة شبكة اتصالات ضوئية لخدمة الجمهور تُغطى المنطقة الوسطى من الجزيرة
البريطانية، وتقدمت لتنفيذ المشروع الشركات المتخصصة بعد أن وصلت الصناعة
إلى توفير
متطلبات نظام التراسل الضوئي طبقاً لمواصفات قياسية لمكونات الشبكة.
التفاعلات
النووية
هي التفاعلات التي تتم عند قذف نوى
ذرات
العناصر بجسيمات خاصة تعرف بالقذائف النووية.
أهميتها:
1 ـ التفاعلات النووية هي الوسيلة
لتحرير
الطاقة المخزنة في النواة.
2 ـ الحصول على عناصر مشعة.
3 ـ الحصول على قذائف نووية.
أنواع التفاعلات النووية:
يمكن
تقسيم
التفاعلات النووية إلى قسمين:
أولاً: حسب نوع القذيفة:
1 ـ تفاعلات البروتون المعجل.
2 ـ تفاعلات الديترون المعجل.
3 ـ تفاعلات دقيقة ألفا.
4 ـ تفاعلات النيوترون.
5 ـ تفاعلات الفوتونات.
6 ـ تفاعلات الأيونات الثقيلة.
ثانياً:
حسب نوع
التحول الناتج:
تفاعل الأسر:
وفيه تؤسر القذيفة بواسطة نواة الهدف وتخرج طاقة القذيفة بصورة فوتونات
جاما.
تفاعل الجسيم جسيم:
وفيه تقذف نواة الهدف بقذيفة فيتبخر منها أحد الجسيمات مثل بروتون أو
نيوترون أو
دقيقة ألفا.
تفاعل انشطاري:
وفيه تنشطر نواة ثقيلة إلى نواتين متقاربتين في الكتلة ويحدث نقص في الكتلة
يتحول
إلى طاقة كبيرة وخروج بعض النيوترونات مثل تفاعل انشطار يو بواسطة
نيوترونات بطيئة.
تفاعل اندماجي:
وفيه تندمج نواتين خفيفتين في نواة واحدة ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى
طاقة طبقاً
لقانون آينتشين، ومثال ذلك اندماج نظائر الهيدروجين وتكوين الهيليوم.
تفاعل تفتت:
ويحدث عند استعمال قذائف ذات طاقة عالية جداً، وفيه تنقسم النواة المركبة
إلى عدة
نوى صغيرة مختلفة عن بعضها في الكتلة.
ملاحظات:
1 ـ النيوترون أحسن القذائف النووية لأحداث التفاعل النووي.
لأنه جسيم متعادل لا يعاني تنافراً مع النواة فيصل إليها بسهولة ويحدث
التفاعل بأقل
الطاقات.
2 ـ الديترون أكفأ قذيفة نووية موجبة لإتمام التفاعل النووي.
لأن الديترون يتكون من بروتون ونيوترون يرتبطان برباط ضعيف. فعند قذف
الديترون على
نواة الهدف يمكن أن ينفصل البروتون عن النيوترون ويرتد بالتنافر بينما يصل
النيوترون إلى النواة ويحدث التفاعل النووي.
الجسيمات
الأولية
Elementary Particles
(الجسيمات الأساسية (Fundamental
Particles:
اسم جامع للجسيمات تحت الذرية التي تتكون منها المادة. والجسيمات الأساسية
بعضها
مستقر (stable) وهي الفوتون (Photon) والإلكترون (Electron) والنيوترينو
(Neutrino)
والبروتون (Proton) والنيوترون (Neutron) المقيد داخل نواة الذرة، أما
النيوترون
الحر خارج النواة فهو جسيم غير مستقر. وقد اكتشفت مجموعات أخرى من الجسيمات
حديثاً
في الأشعة الكونية (Cosmic Radiation)، كما تم اكتشاف بعضها أثناء تجارب
الطاقة
العالية باستخدام معجلات الجسيمات عالية الطاقة.
ويمكن تصنيف الجسيمات الأساسية وفقاً لأسس مختلفة، مثل نوع التفاعلات التي
تسهم
فيها هذه الجسيمات. فالهادرونات (Hadrons)[أي الباريونات (Baryons)
والميزونات
(Mosons)]تدخل في التفاعلات القوية) Strong Interactions)، أما اللبتونات
(Leptons)
فتدخل فقط في التفاعلات الضعيفة (Weak Interactions)[إلا إذا كان اللبتون
يحمل شحنة
كهربائية فإنه يدخل في التفاعلات الكهرومغنطيسية) Electro-magnetic
Interations)].
وتستقل الفوتونات كمجموعة منفردة بين مجموعات الجسيمات الأولية، ولقد
اكتشفت في
الستينات من هذا القرن مجموعة من الجسيمات التي تعتبر جسيمات أولية، إذ
يعتقد أنها
هي اللبنات الأولية التي تتكون منها المادة، تلك هي الكواركات. والفكرة
الأساسية هي
أن جميع الهادرونات يمكن أن تتكون من ثلاثة كواركات (انظر: الكوارك) .
ويتوقف متوسط
عمر الجسيم غير المستقر على ما إذا كان ينحل بتفاعل قوى (ويكون متوسط العمر
حوالي
10 ـ 23 ثانية) أو بتفاعل كهرمغنطيسي (حوالي 10 ـ 16 ثانية) أو بتفاعل ضعيف
(حوالي
10 ـ 6 ثانية إلى 10 ـ 10 ثانية) والوحدة التي تقدر بها كتلة الجسيم
الأساسي هي
كتلة السكون للإلكترون.
الدفع
Propulsion
الدفع هو العلم الذي يختص بتوليد
قوة يمكنها
تحريك جسم ما. ويبنى الدفع مبدئياً على قانون نيوتن المثلث[قوانين نيوتن
للحركة]القائل بأن لكل فعل رد فعل مساويا له في المقدار ومضاد له في
الاتجاه. ومثل
محرك الطائرة يوضح ذلك، فبينما يقوم المحرك. بزيادة كمية تحرك جزء من
الهواء
المحيط، وهو ما يصحبه أحياناً كارتفاع في ضغطه، تتولد قوة دفع على الطائرة
في
الاتجاه المضاد.
وتنقسم. أنظمة الدفع لمصدر الوسط الداسر (المسير) . فالمركبات التي تسير في
وسط ما
كالهواء (الطائرات) أو الماء (السفن والغواصات) عادة ما تستغل بعضاً من ذلك
الوسط
في توليد قوة الدفع بتغير كمية تحركه. أما المركبات التي تسبح في الفضاء
الخارجي
كسفن الفضاء فليس لها إلا أن تحمل معها زادها من الوسط الداسر وهو ما يشكل
في الوقت
نفسه الوقود الذي يسمى بالوقود الداسر.
وتختلف مصادر الطاقة اللازمة للدفع فعادة ما تصدر من التفاعلات الكيميائية
التي
تحدث أثناء احتراق خليط من وقود ومؤكسد مثلما يحدث في أنظمة الدفع
الكيميائية.
وأكثر أنواع ذلك الوقود شيوعاً هو الذي ينتمي إلى سائله الهيدروكربرنات
كالبنزين
والكيروسين والمازوت. وتعتمد بعض أنظمة الدفع الكيميائية على الأوكسيجين
المتوفر في
الهواء الجوي ـ أنظمة متنفسة الهواء ـ كما في معظم محركات الطائرات، بينما
تحمل
أخرى مخزونها من المواد المؤكسدة ـ أنظمة غير متنقسة الهواء ـ كما في
المحركات
الصاروخية. وفي أحيان قليلة تؤالف بعض المحركات بين الطريقتين فتستغل ولو
جزئياً
الأكسيجين الجوى.
وتعتبر الطاقة النووية من مصادر الطاقة غير الشائعة في أنظمة الدفع، حيث
يستعمل
مائع في تبريد مفاعل نووى ممتص للحرارة الناتجة عن عمليات الانشطار النووى.
ويمكن
استغلال ارتفاع طاقة هذا المائع مباشرة كوسط داسر أو غير مباشرة في إدارة
تربين
يدور بدورة الوحدة الدافعة النووية في حين لم تزل التطبيقات الطيرانية في
مراحل
التطوير.
ولعل النوع الثالث لمصادر الطاقة وهو الكهربائية هو أبعدها عن التطبيق في
مجالات
الدفع التقليدية[الدفع الأيونى، الدفع الاكترو ماجنتيك، الدفع المغنا
هيدروديناميكى]بيد أنه ذو قيمة في آفاق التنقل بين الكواكب!.
ويهتم علم الدفع بتلبية الطلب على قوة الدفع (دفع) للجسم المتحرك. ويتباين
ذلك
الطلب بحسب طبيعة الحركة. حيث تحتاج تلك الحركة إلى التغلب على مقاومة
الوسط المحيط
وكذلك على القصور الذاتي للجسم وزيادة طاقة وضعه. ويختلف الطلب على قوة
الدفع
بتباين ظروف الأداء ما بين سرعات وارتفاعات وكذلك بحسب معدلات التغير
فيهما.
وبازدياد هذه التباينات فإن محركات الدفع تواجه تحدياً قاسياً لتلبية تلك
المتطلبات
مع الاحتفاظ بمعدلات كفاءة مرتفعة في الوقت نفسه.
وتقاس كفاءة المحركات عادة بمعدلات استهلاكها للوقود، فبالنسبة للمحركات
التي
تستعمل الهواء الجوى أو الماء المحيط بها كوسط داسر فإن كفاءة استهلاك
الوقود تقاس
بالاستهلاك النوعي للوقود، أما المحركات الصاروخية التي تحمل الوسط الداسر
معها فإن
الكفاءة المرادفة هي الدفع النوعي. غير أن كفاءة استهلاك الوقود ليست هي
العامل
الأوحد للحكم على مدى ملاءمة محرك ما لاداء المهمة المناطة به فيشمل ذلك
عوامل أخرى
كالوزن، الحجم، الثمن، تكاليف الصيانة وغيرها...
ويشمل نظام الدفع الأجزاء الخاصة بتوليد قوة الدفع، وهي المكون الرئيسي
للمحرك،
بالإضافة إلى أجزاء وأنظمة فرعية تعمل على خدمتها، كنظام التحكم ـ نظام
تغذية
الوقود ـ نظام التزييت ـ نظام التبريد ـ نظام البدء،... ويتناول الدفع أداء
وتصميم
وتشغيل وصيانة هذه الأنظمة.
الديناميكا
الحرارية
Thermodynamics
الديناميكا الحرارية فرع يهتم
بدراسة
التغيرات في الطاقة التي تصاحب العمليات الكيميائية والفيزيائية, وتتعلق
الديناميكا
الحرارية ببحث كيفية إنتاج الحرارة وانتقالها من موقع إلى آخر وتأثيرها على
المادة
وكيفية تخزينها. ويمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى أنواع أخرى من الطاقة
وبالعكس.
فعند احتراق الفحم الحجري على سبيل المثال, يتحول جزء من الطاقة الكيميائية
التي
تربط بين جزيئاته إلى حرارة. وتشمل الدينامية الحرارية أيضاً علم التقريس
الذي يدرس
المواد عند درجات منخفضة جداً من الحرارة. ومبادئ الدينامية الحرارية
ضرورية لفهم
كل أنواع الآلات الحرارية, التي تشمل آلات الديزل والبنزين والبخار كما
تشمل آلات
أجهزة التبريد.
وتمكننا الديناميكا الحرارية من أن نتوقع إمكانية حدوث التفاعل الكيميائي
تلقائياً
تحت ظروف معينة، وبذلك فإنه يمكننا توفير كثير من الجهد والوقت والمال ببعض
حسابات
الديناميكا الحرارية. كذلك يمكن باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية تعيين
مدى
تلقائية التفاعل من خلال تعيين موضع الاتزان وحساب ثابت الإتزان. وتتلخص
الديناميكا
الحرارية في قوانين ثلاثة تسمى القانون الأول، والثاني، والثالث للديناميكا
الحرارية. القانون الأول هو قانون بقاء الطاقة، حيث ينص على أن الطاقة لا
تفنى ولا
تستحدث ولكنها يمكن أن تتحول من صورة إلى أخرى، فمثلاً إذا اختفت كمية من
الطاقة
الميكانيكية فإنها يمكن أن تظهر في صورة كمية مساوية لها من الطاقة
الحرارية.
والقانون الأول لا يضع قيوداً على أي تغير كيميائي أو فيزيائي إلا من حيث
بقاء
الطاقة. والقانون الثاني يضع الأساس لتحديد إمكانية توقع تلقائية مثل هذا
التغير.
وهو يؤدي إلى حقيقة أن جميع العمليات الطبيعية تميل إلى السير تلقائياً نحو
حالة
الاتزان ويمكن الحصول على دوال الحالات لما يسمى الطاقة الداخلية للنظام E
والمحتوى
الحراري للنظام H كتطبيق على القانون الأول. ويمكن الحصول على دالة تسمى
الإنتروبى
S من القانون الثاني وهي دالة حالة، وتعتمد على الحالة الموجود عليها
النظام بغض
النظر عن طريقة الوصول إلى هذه الحالة. والإنتروبى يمكن تفسيره على أنه
مقياس
للعشوائية أو عدم الترتيب لأي نظام. فالنظام الأقل ترتيباً له إنتروبى أعلى
والأكثر
ترتيباً له إنتروبى أقل. وحيث أن عدم الترتيب أكثر احتمالاً من الترتيب فإن
أية
عملية تكون تلقائية في التحول من الترتيب إلى عدم الترتيب أي من الحالة ذات
الإنتروبى الأقل إلى الحالة ذات الإنتروبى الأكبر، أي أن العملية التلقائية
تكون
مصحوبة بزيادة في الإنتروبى ولهذا ينص القانون الثاني على أن أية عملية
تلقائية
تكون مصحوبة بزيادة في الإنتروبى. ومن البديهي أن نلاحظ أنه عندما تمتص
مادة
الحرارة فإن عشوائية جزيئات هذه المادة تزداد وبالتالي يمكننا القول إن
إنتروبى
المواد يزداد بارتفاع درجة الحرارة وينقص بانخفاضها. وحيث أن البلورة هي
أكثر صور
المادة ترتيباً فهي أقلها من ناحية الإنتروبى، وعند الصفر المطلق تكون
جزيئات
المادة في البلورة في قمة الترتيب. وبالتالي تكون منخفضة الأنتروبى ومن هنا
ينتج
القانون الثالث الذي ينص على أنه «عند الصفر المطلق فإن إنتروبى البلورة
المثالية
(الكاملة) يكون صفراً.
السيكلوترون
تركيب
السيكلوترون:
يتركب السيكلوترون من الأجزاء التالية:
1 ـ القلب:
ويتكون من غرفتين معدنيتين مجوفتين (د 1، د 2) كل منهما على شكل حرف (D)،
وتحصر
الغرفتان بينهما فجوة طولية صغيرة.
2 ـ مصدر للجسيمات المراد تعجيلها:
وهي البروتونات أو الديوترونات أو جسيمات ألفا، وتوضع في منتصف الفجوة
الطولية بين
الغرفتين.
3 ـ مصدر لفرق جهد متردد عالي التردد:
تتصل الغرفتان بمصدر جهد متردد (100000) فولت وتردده 10 مليون هيرتز يعمل
على توليد
مجال كهربي متغير الاتجاه في الفجوة بين (د 1، د 2) .
4 ـ الأسطوانة المعدنية:
يوضع القلب داخل أسطوانة معدنية بحيث يكون معزولاً عنها، ويفرغ الهواء من
الأسطوانة
ومن الغرفتين حتى لا تتصادم جزيئات الهواء مع الجسيمات المعجلة فتنحرف عن
مسارها
وتفقد جزءاً من طاقتها.
5 ـ المغناطيس الكهربي:
توضع الأسط وانة بما فيها بين قطبي مغناطيس كهربي قوي بحيث يكون اتجاه
مجاله
المغناطيسي عمودياً على مستوى سطحيها.
6 ـ اللوح الحارف:
وهو لوح معدني سالب الشحنة يعمل على جذب الجسيمات الموجبة في نهاية مسارها
الحلزوني
عند خروجها من فتحة القلب ويوجهها إلى الهدف للتفاعل معه.
يستخدم لتعجيل الجسيمات الموجبة مثل البروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا،
فتزداد
سرعتها إلى درجة كبيرة جداً فيمكن استخدامها كقذائف توجه نحو نوى الذرات في
تجارب
النشاط الإشعاعي الصناعي.
وتعتمد فكرة التعجيل على تغير اتجاه المجال الكهربي في الفجوة بين الغرفتين
(د 1، د
2) . فعندما يعبر الجسيم الفجوة يكتسب سرعة وطاقة، فإذا تكررت هذه العملية
عدة مرات
تزداد طاقته تدريجياً حتى تصل طاقته إلى أقصاها في نهاية مسارة فيوجه نحو
الهدف
لإحداث التفاعل النووي.
شرح نظرية عمله:
1 ـ عند تشغيل فرق الجهد العالي المتردد يعمل على تغيير اتجاه المجال
الكهربي في
الفجوة بين الغرفتين كل نصف دورة من دورات التيار. وعندما يكون جهد (د 1)
سالباً
وجهد (د 2) موجباً، يتحرك الجسيم الموجب من منتصف الفجوة (م) إلى (د 1)
بتأثير
المجال الكهربي الموجود في المسافة بين الغرفتين بقوة قدرها س ح، فيكتسب
الجسيم
طاقة تعمل على زيادة سرعته الخطية (ع) فيدخل الغرفة (د 1) .
2 ـ نظراً لأن الغرفة (د 1) مجوفة فإن شدة المجال الكهربي بداخلها = صفر
فلا يؤثر
على الجسيم داخل الغرفة سوى المجال المغناطيسي بقوة (س م ع) . تعمل القوة
المغناطيسية على تحريك الجسيم داخل الغرفة (د 1) في مسار دائري لتقطع نصف
دورة في
نصف الزمن الدوري للتيار المتردّد.
3 ـ في اللحظة التي يُتم الجسيم نصف دورة يتبدل الجهد بين الغرفتين، أي
يتبدل اتجاه
المجال الكهربي، فتصبح (د 1) موجبة و(د 2) سالبة. فيندفع الجسيم نحو (د 2)
فيتم
تعجيله أثناء عبوره الفجوة بواسطة المجل الكهربي مرة ثانية. ونتيجة لذلك
يكتسب
الجسيم عجلة وتزداد سرعته الخطية.
4 ـ يدخل الجسيم الغرفة (د 2) بسرعة أكبر ويتحرك في مسار دائري ذي نصف قطر
أكبر
ويقطعه في نصف الزمن الدوري للتيار المتردد.
5 ـ وهكذا يتكرر ما سبق ويكتسب الجسيم مزيداً من الطاقة في كل لحظة يعبر
فيها
الفجوة. وتتزايد تبعاً لذلك سرعته الخطية (ع) ونصف قطر مساره الدائري فيدور
في مسار
حلزوني حتى يصبح نصف قطر مساره الدائري مساوياً لنصف قطر الغرفة وتصل طاقته
إلى
أقصاها. فيخرج الجسيم في نهاية مساره من الفتحة المخصصة لذلك فيمر بالقرب
من اللوح
الحارف فيوجه بواسطة اللوح الحارف نحو الهدف.
ملاحظة:
أ ـ السيكلوترون لا يعجل النيوترونات لأنها متعادلة كهربياً، أي
غير
مشحونة، وبذلك لا تتأثّر بالمجال الكهربي وهو الذي يقوم بعملية التعجيل.
كما أنه لا
يعجل الإلكترونات بسبب الزيادة النسبية الكبيرة في كتلة الإلكترونات عند
اكتسابها
للطاقة، وبذلك لا يستطيع الإلكترون أن يقطع القوس الدائري داخل الغرفتين في
نصف زمن
ذبذبة التيار فلا يمكن تعجيله لأن التيار يغيّر اتجاهه قبل وصول الإلكترون
إلى
الفجوة.
ب ـ يعمل على تعجيل الإلكترونات مما يكسبها طاقة إضافية في كل دورة كما
يعمل على أن
تتحرك في مسار دائري ذي نصف قطر ثابت.
أقصى سرعة للأيون المعجّل بواسطة السيكلوترون.
أقصى سرعة (ع) قصوى = م. س. س/ك
الصمامات
ومقوماتها
الصمام الثنائي هو ابسط انواع
الانابيب
الخوائية (2 ـ أ)، وهو يستطيع تغيير تيار متناوب (مثل تيار المولد الرئيسي)
إلى
سلسلة من النبضات (تيار مستمر) بعملية معروفة بالتقويم. يعطي الصمام
الثنائي ذو
الانود الواحد تقويما نصف موجيّ (2 ـ ب) . لكن فعّالية العملية تتحسّن
بتقويم
الموجة الكاملة (2 ـ ح) . للحصول على تيار مستمر خال من النبضات، يمكن وصل
التيار
النابض بعناصر اضافية في الدائرة، كالمكثّفات وصمامات الخنق، التي تجعله
«املس».
أصبح من العادي اليوم الاستغناء عن الصمامات الثنائية لاستبدالها بالمواد
النصف
موصّلة الصلبة. فجميع الدوائر الحديثة تقريباً في الأدوات المنزلية
الكهربائية تصنع
من اجزاء صلبة.
مع أن الصمام الصلب الثنائي (2 ـ ج) هو أصغر بكثير من الصمام الخوائي
المعادل له،
فانه يقوم تماماً بوظيفة التقويم ذاتها، عندما يستعمل في دوائر من النوع
ذاته (2 ـ
ث)، مع هذا الفرق انه ليس مجهّزاً بفتيلة (مسخّن) .
فضلاً عن ذلك، استطاع المخترع الامريكي لي دي فورست (1873 ـ 1961) تحسين
الصمام
الثنائي عندما توصل عام 1906 إلى التحكّم بسيل الإلكترونات بين المصعد
(الكاثود)
والمهبط (الانود)، وذلك باضافة إلكترود ثالث إلى الصمام (3) . ثم توصّل،
باستعمال
عدد مناسب من العناصر الأخرى. كالمكثفات والمقاومات في الدائرة الكهربائية
إلى جعل
الصمام الثلاثي صالحاً ليقوم بوظيفة مضخّم للفلطيّة (3 ـ ب) .
الصوتيات
دراسة الصوت تسمى الصوتيات. ويتكون
الصوت من
الاهتزازات التي ينتجها جسم وتنتقل خلال وسط, مثل الهواء أو الماء أو جدران
المباني. وفهم الصوت مهم لتصميم القاعات الكبيرة ومعينات السمع ومسجلات
الأشرطة
وأجهزة الفونوغراف ومكبرات الصوت. وتشمل دراسة الصوت كذلك الموجات فوق
الصوتية التي
تختص بالاهتزازات التي تكون تردداتها أعلى من مدى السمع البشري.
الطاقةالطاقة هي القدرة على بذل شغل
أنواع
الطاقة:
1 ـ الطاقة الديناميكية وتشمل طاقة الوضع وطاقة الحركة.
طاقة الوضع:
هي قدرة الجسم على بذل شغل نتيجة وضعه وتساوي مقدار الشغل الذي بذل لإعطاء
الجسم
وضعه.
طاقة الحركة:
هي قدرة الجسم على بذل شغل نتيجة حركته وتساوي نصف كتلته مضروبة في مربع
سرعته.
2 ـ الطاقة الحرارية:
هي صورة الطاقة الحركية المبددة بالاحتكاك.
3 ـ الطاقة الداخلية:
هي الطاقة التي يمتلكها الجسم نتيجة تركيبة الكيميائي المميز له أي هي طاقة
الروابط
الكيميائية وتظهر هذه الطاقة في التفاعلات الكيميائية على هيئة حرارة أو
حرارة وضوء
مثل حرق الفحم ونواتج البترول.
قانون
بقاء
الطاقة:
الطاقة لا تفنى ولا تستحدث.
مصادر الطاقة:
1 ـ الشمس.
2 ـ الطاقة النووية.
3 ـ الوقود الحفري: وهو الفحم والبترول والغاز الطبيعي.
وحدات قياس الطاقة:
كل أنواع الطاقة تقاس بالجول وهناك وحدات أخرى مثل الأرج والسعر والإلكترون
فولت.
1 ـ الطاقة الديناميكية تقاس بالأرج والجول:
الأرج: هو الشغل المبذول بقوة قدرها (1) داين لمسافة (1) سم.
الجول: هو شغل = 10 مليون أرج = 107أرج.
2 ـ الطاقة الحرارية تقاس بالسعر:
هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء 1°م من 14,5°م
إلى
15,5°م.
3 ـ الطاقة النووية تقاس بالإلكترون فولت:
الإلكترون فولت: هو الطاقة التي يكتسبها الإلكترون تحت تأثير فرق جهد
مقداره واحد
فولت أو هو الشغل اللازم لنقل إلكترون بين نقطتين فرق الجهد بينهما (1)
فولت ويرمز
له بالرمز (أ.ف) .
العلاقة بين المادة والطاقة:
أثبت آينشتين عام 1905 أن الطاقة والكتلة صورتان مختلفتان لشيء واحد ومن
الممكن
تحويل كل منهما إلى الأخرى. ولحساب الطاقة المكافئة لأي كتلة أو العكس
استخدام
آينشتين المعادلة الآتية:
حيث (ط) الطاقة بالأرج، (ك) الكتلة بالجرام، (ع) سرعة الضوء بالسنتيمترات
في
الثانية وتساوي 3 × 1010 سم/ث.
الفيزياء الذرية
والجزيئية وفيزياء الإلكترون
تعنى بمحاولات فهم التركيب الذري
والجزيئي
وحركة الإلكترونات وخواصها.
وتركز هذه الدراسات بصفة خاصة, على سلوك وترتيب وحركة وطاقة الإلكترونات
التي تدور
حول النوى الذرية. وقد كشفت البحوث في الفيزياء الذرية والجزيئية وفيزياء
الإلكترون
عن الكثير فيما يخص تركيب المادة.
على سبيل المثال, تأكد للعلماء أن المواد يختلف بعضها عن الآخر في ترتيب
الذرات في
الجزيئات. وبسبب هذا الاختلاف نجد أن الطريقة التي تمتص بها المادة
الكهرومغنطيسية
وتبثها مختلفة في كل مادة عن الأخرى.
ونتيجة لهذا يتمكن العلماء من تمييز المادة بناء على النشاط الكهرومغنطيسي
وحده.
ولهذه الطريقة في تمميز المواد تطبيقات مهمة في الطب وفي الحالات المعينة
التي تنشأ
في الصناعة عندما تكون كميات المادة المعينة قليلة جداً.
الفيزياء
النووية
تعنى بدراسة تركيب وخصائص النواة
الذرية,
وتركز بصفة خاصة على النشاط الإشعاعي والانشطار والاندماج. والنشاط
الإشعاعي عو
العملية التي بموجبها تطلق بعض النوى تلقائياً جسيمات عالية الطاقة أو
أشعة.
وتستخدم المواد المشعة لعلاج السرطان ولتشخيص الأمراض ولمتابعة العمليات
الكيميائية
والفيزيائية.
والانشطار هو عملية انقسام النواة الذرية إلى جزءين متساويين تقريباً مع
إطلاق قدر
هائل من الطاقة. ومن الانشطار تأتي طاقة القنابل الذرية والمفاعلات
النووية.
أما الاندماج فهو عملية التحام نواتي ذرتين لتكونا نواة عنصر أثقل, ويحدث
بالدرجة
الأولى في حالة الهيدروجين والعناصر الخفيفة الأخرى. وتنتج عملية الاندماج,
التي
تطلق أكبر من طاقة الانشطار, طاقة القنبلة الهيدروجينية.
القدرة
إذا قام بأحد العمال مثلاً برفع عدد
من
أكياس الإسمنت إلى سطح عمارة في زمن معين، وقام عامل ثانٍ برفع العدد نفسه
من
الأكياس في زمن أقل، نقول إن العامل الثاني أقدر على انجاز الشغل من العامل
الأول،
لأنه أنجز الشغل المطلوب في زمن أقل.
تعرف القدرة بأنها معدّل الشغل المبذول في وحدة الزمن.
وتقاس القدرة بوحدة الواط.
الواط: قدرة قوة أو آلة تنجز شغلاً مقداره جول واحد في ثانية واحدة.
ومن مضاعفات الواط: الكيلو واط= 1000 واط.
الحصان الميكانيكي = 746 واط = 3/4 كيلو واط.
يعد الحصان الميكانيكي الوحدة العملية للقدرة، فهو قدرة آلة تُنجز شغلاً
مقداره
(746) جولاً في الثانية الواحدة.
القنبلة الذرية (الانشطارية)
نظرية عمل
القنبلة
الذرية:
1 ـ يستخدم فيها كمية من اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم ذات حجم
أكبر
قليلاً من الحجم الحرج.
2 ـ تقسم هذه الكمية إلى عدة أجزاء لكل منها حجم أقل من الحجم الحرج وتوضع
بعيدة
بعضها عن بعض بمسافات مناسبة.
3 ـ يوضع في منطقة تجمع اليورانيوم مواد مولدة للنيوترونات مثل خليط من صخر
الراديوم وعنصر البريليوم.
4 ـ ولإحداث الانفجار، تفجر أولاً المواد المتفجرة فتتجمع أجزاء
اليورانيوم. وفي
لحظة تجمعها يصبح الحجم أكبر قليلاً من الحجم الحرج فيبدأ التفاعل المتسلسل
بأحد
النيوترونات، ويتم في زمن قصير جداً. وتنطلق طاقة هائلة تكافىء قوة انفجار
(20) ألف
طن منم مادة (T.N.T) أقوى مادة متفجرة.
العوامل التي تتركز فيها القوة التدميرية للقنبلة الذرية:
تتركز القوة التدميرية للقنبلة الذرية في العوامل الأربعة الآتية:
1 ـ صدمة الانجفار:
وهي الصدمة التي تنشأ نتيجة تولد ضغط هائل في لحظة الانفجار وتسبب التدمير
الكلي
والجزئي في دائرة قطرها 3,5 كيلومترات من مركز الانفجار.
2 ـ الإشعاع الحراري:
وهي الطاقة الحرارية الناتجة من انشطار نوى اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم
وتسبب
حرائق شديدة.
3 ـ الإشعاعات النووية:
وتشمل فوتونات جاما ذات الطاقة العالية والنيوترونات السريعة وتسبب موت
الكائنات
الحية في دائرة قطرها حوالي 2 كيلومتر من مركز الانفجار.
4 ـ المتخلفات المشعّة:
وهي نواتج انشطار اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم، وتشمل أكثر من (30)
نظيراً مشعاً
وتعرف (بالغبار الذري) . وينقلها الهواء إلى مسافات مختلفة، وهي تشع بيتا
السالبة
التي تسبب أضراراً كثيرة للإنسان (انظر التأثير البيولوجي للإشعاعات
النووية) .
القنبلة
الهيدروجينية
(القنبلة الحرارية)
تحتوي القنبلة الهيدروجينية على
قنبلة ذرية
وعلى نظائر الهيدروجين الديوتيريوم والتريتيوم، وقد يضاف إليها نظير
الليثيوم لث.
وتحاط نظائر الهيدروجين والقنبلة الذرية بأغلفة قد يصنع أحدها من يورانيوم
238.
تفجير القنبلة الهيدروجينية والتفاعلات الاندماجية التي تحدث فيها:
تفجر أولاً القنبلة الذرية فتتولد عنها ملايين الدرجات المئوية ومليارات
الضغوط
الجوية فتندمج نظائر الهيدروجين ثم ينشطر اليورانيوم 238 بالنيوترونات
السريعة جداً
الناتجة من عملية الاندماج وتكون محصلة هذه التفاعلات الثلاثة طاقة كبيرة.
التفاعلات الاندماجية (النووية الحرارية) التي تتم في القنبلة
الهيدروجينية.
القوة التدميرية للقنبلة الهيدروجينية:
1 ـ أقوى ألف مرة من القنبلة الذرية.
2 ـ تسبب تدميراً كاملاً لمسافة 10 أميال، ويصل تأثيرها الحراري إلى عشرين
ميلاً.
3 ـ ينتشر غبارها الذري إلى ارتفاع 30 ألف قدم فوق سطح الأرض ويسبب
التهابات شديدة
قد تؤدي إلى الوفاة.
4 ـ من أخطر المواد المشعة الناتجة من الانفجار نظير الأسترونشيوم ست وله
فترة نصف
عمر حوالي 27 سنة. وإذا سقط على الأرض يمتص من التربة بواسطة النباتات،
وينتقل من
النباتات إلى الحيوانات ويتجمع في أجسامها تدريجياً. وعندما يتغذى الإنسان
على
ألبانها أو لحومها، يتجمع في جسمه العنصر المشع ويترسب في عظامه. وإذا زادت
نسبته
في العظام فإنه يسبب سرطان العظام ويدمر الأنسجة ويؤدي إلى الوفاة.
ملحوظة:
التفاعلات الاندماجية يطلق عليها التفاعلات النووية الحرارية لأنها لا يتم
إلا في
درجات الحرارة العالية.
أهم المشاكل في استخدام التفاعلات النووية الحرارية (أي مشاكل ترويض الطاقة
الهيدروجينية) كمصدر للطاقة في الحياة السلمية:
1 ـ كيف
المدير العام- عضو ممتاز
-
.....
الباحث عن الحقيقة
.....
****************************
---------------------------------------
----------------------------------------
عدد الرسائل : 4202
العمر : 65
العمل : باحث وكاتب في العلوم ومقارنة الآديان
تاريخ التسجيل : 13/08/2008 -
رد: موسوعة الفيزياء
من طرف المدير العام الجمعة يونيو 04, 2010 4:40 pm
أجهزة التفاعلات
النووية
هي أجهزة يتم فيها التفاعل المتسلسل
في
اليورانيوم الطبيعي أو البلوتونيوم كما يتم فيها تنظيم التفاعل المتسلسل
والسيطرة
عليه.
وتنقسم المفاعلات النووية إلى:
1 ـ المفاعلات الحرارية:
وفيها تعرض النيوترونات الناتجة من الانشطار إلى مادة مهدئة لتقليل سرعتها
لتصل إلى
السرعة الحرارية اللازمة لشطر يورانيوم 235.
2 ـ المفاعلات السريعة والمولدة:
لا يستخدم فيها مادة مهدئة والغرض منها إنتاج البلوتونيوم الذي يستخدم في
صناعة
القنابل الذرية.
ملاحظة:
يحاط المفاعل النووي بسياج واق من الخرسانة المسلحة والرصاص،
وفائدته
الوقاية من الحرارة العالية، ومنع تسرب إشعاعات ألفا وبيتا وجاما الناتجة
عن التحلل
التلقائي للوقود النووي.
الميكانيكا
الميكانيكا: فرع من علم الفيزياء
يبحث في
تأثير القوى على الأجسام الصلبة والسائلة والغازية في حالة الحركة والسكون.
فهي
تدرس, على سبيل المثال, كيف تعمل القوة على جسم لتنتج تسارعاً. وسماها
العرب
الأقدمون علم الحيل. يعتمد المهندسون على علم علم الميكانيكا لتحديد
الإجهادات
والتشوهات في أجزاء الآلات كالتروس المُسنَّنة أو الأجزاء التركيبية كأعمدة
التحميل. كما يستخْدم المهندسون أسس الميكانيكا في تصميم وتصنيع الأجزاء
المختلفة
الأحجام سواء كانت شديدة الدقة كأجزاء الحاسوب، أو شديدة الضخامة كالسدود.
كذلك
يستخدمها علماء الفلك في إجاء تنبؤاتهم بتحركات النجوم والكواكب والأجرام
الكونية،
كما يستخدمها علماء الطبيعة في بحوثهم عن الجسيمات الذرية.
تنقسم الميكانيكا إلى قسمين الإستاتيكا والديناميكا فالإستاتيكا تُعني
بالبحث في
طبيعة الأجسام في حالة السكون أو الحركة في سرعة ثابتة واتجاه ثابت. أما
الديناميكا
فتُعني بالبحث في طبيعة الأجسام المتغيرة السرعة أو الاتجاه أو كليهما،
وعلاقتهما
بالقوى المؤثرة الأخرى.
وتعني ميكانيكا الجوامد بالبحث في حركة المواد الصلبة والأجسام الجامدة
القابلة
للتشكل والقوى التي تُسبِّب هذه الحركة. أما الميكانيكا المتصلة فتتعامل مع
المواد
المتغيرة الشكل، مثل الغازات والسوائل والأجسام الصلبة المرنة. ويشمل علم
الميكانيكا المتصلة نظرية المرونة، وهي دراسة التشكيلات الارتدادية للمواد
الصلبة،
ونظرية اللدونة؛ أي دراسة التشكيلات الدائمة للمواد الصلبة، وديناميكا
الموائع أي
دراسة حركة الموائع، وكذلك الديناميكا الهوائية؛ أي دراسة الغازات وحركتها
حول
الأجسام، وأخيراً الهيدروليكا وهي دراسة السوائل في حالة السكون أو الحركة.
الميكروفون
جهاز يعمل على تحويل الصوت إلى طاقة
كهربائية. وتنتقل هذه الطاقة مباشرة عبر أسلاك أو خلال موجات راديو، إلى
مُستقبل
مرتبط مع مكبر للصوت، أو أداة أخرى تحوله إلى صوت. وقد اتخذ أول ميكروفون
شكل هاتف
البث الذي طوره المخترع الأمريكي ألكسندر جراهام بِل عام 1876 م. واليوم
تستخدم
الميكروفونات في أنظمة مخاطبة الجمهور، وفي بث العروض التلفازية والإذاعية،
وفي
تسجيل الصوت للأفلام، وفي طبع الأسطوانات، وفي تسجيلات الكاسيت. وتُستَخدم
الميكروفونات أيضاً في الإذاعاتُ الشعبية وإذاعات الهُواة.
النشاط الإشعاعي
الطبيعي
والنشاط الإشعاعي الصناعي
النشاط الإشعاعي الطبيعي هو نشاط
العناصر
المشعة الموجودة في الطبيعة مثل اليورانيوم.
أما النشاط الإشعاعي الصناعي فهو نشاط العناصر المشعة المحضّرة من
التفاعلات
النووية.
وفي النشاط الإشعاعي الطبيعي يشع العنصر دقائق ألفا وبيتا مع خروج فوتونات
جاما،
ويتحول العنصر المشع إلى عنصر مشع آخر وهكذا حتى يستقر العنصر عندما يُصبح
رصاصاً.
أما في النشاط الإشعاعي الصناعي فإن العنصر يشع إما دقيقة بيتا السالبة
ويستقر،
وإما دقيقة بيتا الموجبة ويستقر بالإضافة إلى خروج فوتونات جاما.
النظائر المشعّة
يوجد في الطبيعة أكثر من 270 نظيراً
ثابتاً،
ونحو 50 نظيراً آخر مشعاً، بما فيها نظائر اليورانيوم والراديوم. وتسمى هذه
النظائر
التي تقذف جسيمات أو أشعة نظائر مشعة.
وكل العناصر التي هي أثقل من البزموت (عدده الذري 83) مشعة. وتنحل (تتفكك)
هذه
الذرات المشعة وتتحول إلى نظائر لعناصر أخر أخف وزناً. فهي تنتمي إلى ثلاث
سلاسل
انحلال مشعة تبدأ بـ 238U و 235U و 232Th. وتنحل هذه الذرات الثقيلة إلى
نظائر
مختلفة، وتستمر هكذا حتى تتحول إلى نظائر الرصاص المستقرة الثابتة. أما
السرعة التي
تنحل بها النظائر المشعة فتقاس بنصف العمر، أو بالوقت اللازم حتى تنحل ذرات
عينة ما
إلى النصف. ولكلِّ نظير نصف عمر معين. وبعض النظائر في السلاسل المشعة تنحل
ببطء.
فنظير الراديوم 226Ra مثلاً، له نصف عمر يصل إلى 1,600 سنة. وبعض العناظر
الأخرى
تنحل بسرعة فائقة، حتى أن أنصاف أعمار بعضها يساوي جزءاً صغيراً من ثانية.
ويمكن
للنظائر ذات أنصاف الأعمار القصيرة أن توجد في الطبيعة. فهي تتكون باستمرار
عن طريق
الانحلال الذي يحصل للنظير الأم الأثقل في السلاسل.
ويوجد قليل من النظائر المشعة المتناثرة التي لا تنتمي إلى السلاسل، بين
العناصر
الأخف من البزموت. من هذه العناصر عنصر البوتاسيوم ـ40، والروبيديوم ـ87،
والمسريوم
ـ146، واللوتيتيوم ـ176، والرينيوم ـ187.
النظائر المشعة صناعياً: تمكّن العلماء من إنتاج كثير من النظائر المشعة
صناعياً.
وهي ليست موجودة في الطبيعة، ولو وجدت لانحلت منذ زمن بعيد. يمكن إنتاج هذه
النظائر
صناعياً، إما في السيكلوترونات، وغيرها من الأجهزة المسرِّعة للجسيمات، أو
في
المفاعلات النووية. يمكن للعلماء ـ مثلاً ـ أن يقذفوا نظيراً من نظائر
الصوديوم
23Na بديوترونات ذات طاقة عالية في السيكلوترون. والديوترون جسيم مكون من
بروتون
ونيوترون، وإذا اصطدم بذرة صوديوم 23Na، حدث تفاعل نووي، يغدو فيه
النيوترون جزءاً
من نواة الذرة، وينطرح بروتون منتجاً 24Na. كذلك تصنع النظائر المشعة
بتعريض
العناصر في مفاعل نووي إلى عدد ضخم من النيوترونات. فذرات الصوديوم 23Na،
على سبيل
المثال تقتنص نيوترونات من المفاعل وتتحول إلى 24Na. ويؤدي انشطار (أو
انفلاق)اليورانيوم إلى نشوء أكثر من 450 نظيراً مشعاً، وأكثر من 100 نظير
ثابت
مستقر.
وقد تمكن العلماء من إنتاج نحو 1,700 نظير مشع، شملت كافة العناصر. واليوم
يوجد
للعديد من العناصر 15 نظيراً صناعياً أو أكثر.
كذلك أمكن إنتاج كل العناصر التي لا توجد في الأرض. ومن هذه العناصر
التكنيتيوم
والبروميثيوم اللذان يوجدان في بعض النجوم ـ والعناصر 93 إلى 109، وهي ما
تعرف
بعناصر ما فوق اليورانيوم.
ولهذه العناصر المشعة أنصاف أعمار قصيرة، ولهذا اختفت من الأرض بالانحلال
إلى عناصر
أخرى. وقد شذ البلوتونيوم عن ذلك، فقد وجد العلماء كميات قليلة جداً من
نظير
البلوتونيوم 244Pu في الأرض.
النظام المتري
النظام المتري: مجموعة من الوحدات
تستخدم
للقيام بأي من عمليات القياس؛ كقياس الطول أو الحرارة أو الزمن أو الوزن.
وهو نظام
لا يضاهيه من حيث البساطة أي نظام قياس استخدم حتى الآن.
تم استحداث هذا النظام على أيدي مجموعة من العلماء الفرنسيين في العقد
الأخير من
القرن الثامن عشر الميلادي، وتمت مراجعته عدة مرات. وهو يُسمى في هيئته
الحالية
رسمياً باسم النظام العالمي للوحدات. أما التسمية متري فأصلها هو وحدة قياس
الطول
الأساسية، المتر.
استخدام
النظام
المتري:
ترجع سهولة استخدام النظام المتري إلى سببين؛ فهو أولاً يتبع
النظام
العشري ـ أي أن الوحدات المترية تتزايد وتتناقص في المقدار بالعشرات. كذلك
فإن جميع
القياسات في النظام المتري مبنية على سبع وحدات أساسية، بينما يحتاج النظام
البريطاني لأكثر من عشرين وحدة، وذلك لمجرد إجراء القياسات المألوفة.
وتتطلب
القياسات للأغراض المتخصصة زيادة العديد من هذه الوحدات الأساسية.
التنظيم العشري: ولمعظم الوحدات المترية بادئات تبين علاقتها بالوحدة
الأساسية،
ولكل بادئة نفس المعنى بغض النظر عن الوحدة الأساسية. وهذا الاتساق يزيد من
سهولة
القياس على الطريقة المترية.
وتُستَخدم البادئات الإغريقية لتبيان مضاعفات أي وحدة أساسية فتجعل الوحدة
أكبر.
على سبيل المثال هكتو تعني مائة مرة وكيلو تعني ألف مرة. أما البادئات
اللاتينية
فستستخدم للدلالة على قواسم الوحدة الأساسية فتجعلها أصغر. مثلاً: سنتي
تعني 1/100
وملي تعني 1/1000 ويتضمن هذا المقال كل البادئات وعلاقاتها بالوحدة
الأساسية.
وحدات القياس المترية: تتكون قاعدة النظام المتري من سبع وحدات، ونقتصر على
أربع
منها فقط في معظم عمليات القياس التي نؤديها في حياتنا اليومية. 1 ـ المتر
وهو
الوحدة الأساسية للطول أو المسافة. 2 ـ الكيلوجرام وهو الوحدة الأساسية
لكتلة الجسم
أو وزنه على سطح الأرض. 3 ـ الثانية وهي وحدة الزمن الأساسية. 4 ـ الكلفين
وهي
الوحدة الأساسية لدرجة الحرارة. يقوم معظم الناس عند قياس درجة الحرارة
مترياً
باستخدام الدرجات المئوية. وتساوي وحدة كلفين درجة مئوية واحدة، غير أن
نقطتي
الابتداء في هذين النظامين لقياس درجة الحرارة مختلفتان.
أما الثلاث وحدات الأساسية الباقية فإنها ذات استخدامات متخصصة لدى العلماء
والمهندسين وهي: 5 ـ الأمبير، الوحدة الأساسية للقياس في الكهرباء. 6 ـ
المول وحدة
القياس الأساسية لمقدار أي مادة تدخل في تفاعل كيميائي أو غيره. 7 ـ الشمعة
القياسية وهي الوحدة الأساسية لقياس شدة الإضاءة. كذلك يضم النظام المتري
وحدتين
إضافيتين لقياس الزوايا هما الزاوية نصف القطرية (الراديان) والإستراديان
(الراديان
الفراغي). انظر: الزاوية نصف القطرية.
البادئات
المترية:
هذه البادئات يمكن إضافتها إلى معظم الوحدات المترية لزيادة أو
نقص
مقدارها، فكيلومتر مثلاً يساوي ألف متر، والبادئات سنتي، كيلو وملي هي
الأكثر
شيوعاً.
البادئة الزيادة أو النقصان في الوحدة إكسا 1,000,000,000,000,000,000
(كوينتيليون
واحد)
بيتا 1,000,000,000,000,000 (كوادريليون واحد)
تيرا 1,000,000,000,000 (تريليون واحد)
جيجا 1,000,000,000 (بليون واحد)
ميجا 1,000,000 (مليون واحد)
كيلو 1,000 (ألف واحد)
هكتو 100 (مائة واحد)
ديكا 10 (عشرة)
ديسي 0,1 (جزء من عشرة)
سنتي 0,01 (جزء من المائة)
ملي 0,001 (جزء من الألف)
مايكرو 0,000,001 (جزء من الألف)
نانو 0,000,000,001 (جزء من البليون)
بيكو 0,000,000,000,001 (جزء من التريليون)
فمتو 0,000,000,000,000,001 (جزء من الكرادريليون)
أتو 0,000,000,000,000,000,001 (جزء من الكونيتليون)
بعض التواريخ المهمة في تطور النظام المتري:
1670 م الفرنسي جابريل يقترح نظاماً عشرياً للقياس مبنياً على جزء من محيط
الأرض.
1671 م الفلكي الفرنسي جين بيكارد يقترح استخدام طول البندول الذي يتأرجح
مرة واحدة
في الثانية كمعيار لوحدة الطول.
1790 م المجلس الوطني الفرنسي يطلب من الأكاديمية الفرنسية للعلوم إنشاء
نظام
للموازين والمقاييس. سمِّي النظام الذي استحدثته الأكاديمية باسم النظام
المتري.
1795 م تبنت فرنسا النظام المتري ولكن سمحت للناس بمواصلة استخدام وحدات
أخرى.
1837 م أجازت فرنسا قانوناً يفرض على كل فرنسي البدء في استخدام النظام
المتري في 1
/ 1 / 1840 م.
1866 م أجاز الكونجرس في أمريكا استخدام النظام المتري ولكن لم يفرض
استخدامه.
1870 ـ 1875 م عُقد مؤتمر عالمي لتحديث النظام المتري ولتبني معايير قياس
جديدة
للكيلوجرام والمتر، وقد شاركت 17 دولة في المؤتمر.
1875 م تم توقيع معاهدة المتر في نهاية مؤتمر 1870 ـ 1875م وأنشأت المعاهدة
منظمة
دائمة، وهي وكالة الموازين والمقاييس، لتعديل النظام المتري حسب الحاجة.
1889 م استحدثت معايير جديدة للمتر والكيلوجرام مبنية على تلك التي تبناها
مؤتمتر
1870 ـ 1875م وأرسلت للدول التي وقعت اتفاقية المتر.
1960 م في مؤتمر عام للموازين قامت الدول التي تستخدم النظام المتري بتبني
صيغة
معدلة من النظام.
1965 م بدأت بريطانيا في التحول للنظام المتري.
1970 م بدأت أستراليا عملية تحول للنظام المتري مبرمجة على عشر سنوات.
1971 م أوصت إحدى الدراسات التي قام بها الكونجرس أن تقوم الولايات المتحدة
بالتخطيط للتحول للنظام المتري.
1975 م بدأت كندا في التحول التدريجي نحو النظام المتري.
1975 م أجاز الكونجرس الأمريكي قانون التغيير للنظام المتري والذي نادى
بالتحول
الاختياري لهذا النظام.
1983 م تم في مؤتمر عام للموازين والمقاييس تبني معيار قياسي جديد للمتر.
1988 م أجاز الكونجرس الأمريكي القانون المعروف باسم القانون الجامع
للتجارة
والتنافس وقد احتوى القانون على فقرة تطلب من كل وكالات الحكومة الفيدرالية
استخدام
النظام المتري في كل المعاملات الرسمية ابتداءً من عام 1992 م.
النظرية
الميزونية
تفسير هذه النظرية القوى الكامنة في
النواة
التي تعمل على ربط النويات والتي تساوي طاقة الترابط النووي.
فروض النظرية الميزونية:
1 ـ ميزونات باي وتشمل ميزون باي الموجب II+ وميزون باي السالب II-
والمتعادل -
وتعرف هذه الميزونات بالميزونات الثقيلة وهي المسؤولة عن ربط النويات.
2 ـ يتم الجذب بين البروتون والنيوترون بواسطة التأثير المتبادل لميزون باي
الموجب
فيتحول البروتون إلى نيوترون والنيوترون إلى بروتون.
3 ـ يتم الجذب بين النيوترون والبروتون بواسطة التأثير المتبادل لميزون باي
السالب
فيتحول النيوترون إلى بروتون والبروتون إلى نيوترون.
4 ـ يتم الجذب بين بروتونين وكذلك بين نيوترونين بواسطة التأثير المتبادل
لميزونات
باي المتعادلة.
5 ـ تبادل الميزونات يتم بسرعة عظيمة جداً وينشأ عن ذلك قوة الربط بين
النويات
ويكون - مجموعة طاقة حركة الميزونات = طاقة الترابط النووي.
انقلاب الجمهرة
Population Inversion
المادة في الحالة الطبيعية تكون
ذراتها
مستقرة وموزعة في مستويات الطاقة وفقاً لما يمثله الشكل (1) الذي يبين أن
عدد
الذرات في مستوى الطاقة الأدنى E 1 يكون أكبر من عددها في المستوى الذي
يعلوه E 2،
ويتناقص العدد تباعاً في مستويات الطاقة الأعلى E 3 ثم E 4... وإذا استثيرت
الذرة
(كما يحدث في جهاز توليد الليزر نتيجة ضخ الطاقة hv) فإن توزيع عددها في
مستويات
الطاقة يتغير نتيجة لانتقال إلكترونات من المستويات الأدنى إلى المستويات
التي
تعلوها. وعندما تنتقل إلكترونات من المستوى E 1 إلى المستوى E 2 بحيث يصبح
عدد
الذرات في المستوى E 1 أقل من عددها في المستوى E 2 (كما بالشكل (2) يقال
للذرات
إنها في حالة «تعاكس إسكاني»، ويكون هذا الوضع غير مستقر، وتحاول الذرات
بطبيعتها
أن تعود إلى الحالة المستقرة بانتقال إلكترون من المستوى E 2 إلى المستوى E
1، وكل
إلكترون يفعل ذلك يتخلى عن طاقة قدرها hv (هي الطاقة المنبعثة وقدرها (E 1 -
E 2 =
hv) (أي لها التردد نفسه للفوتون الساقط من الضخ) . وتكون حركة كل من
الفوتونين في
الاتجاه نفسه.
وعند ضخ الفوتونات ذات التردد v لكي تسقط على الذرات يحدث أحد أمور ثلاثة
(يوضحها
الشكل 3): (أ) إذا كانت طاقة الفوتون الساقط (الذي يضخّ) لا تساوي (E 2 - E
1) فإنه
يمر بين ذرات المادة دون أن يتفاعل معها (الشكل أ) . (ب) وإذا كانت طاقة
الفوتون
الساقط تساوي الفرق (E 2 - E 1) وكان عدد الذرات بالمستوى الأدنى E 1 أكبر
من عددها
بالمستوى الأعلى E 2 فإن الذرة تمتص الفوتون الساقط عليها (بانتقال الكترون
من E 1
إلى E 2 ـ الشكل ب) . (ج) وإذا كانت طاقة الفوتون الساقط تساوي الفرق (E 2 -
E 1)
وكانت الذرات في حالة تعاكس اسكاني (أي أن عددها بالمستوى E 1 أقل من عددها
بالمستوى E 2) فإن الذرات المستحثة يمكنها أن تشع الطاقة الممتصة الزائدة
(E 2 - E
1) لتعود الذرة إلى المستوى E 1 حيث تكون أكثر استقراراً (الشكل ج) . وقبل
أن تجد
الذرات فرصة للعودة إلى المستوى الأدنى للطاقة E 1 فإن الفوتونات الساقطة
تصطدم
بالذرة المستحثة والتي تعود عندئذ إلى مستوى الطاقة الأدنى، ويصحب ذلك
انبعاث فوتون
له التردد (v) نفسه. وتواصل الفوتونات الساقطة سيرتها مصحوبة بالفوتونات
المنبعثة.
وفي جهاز توليد أشعة الليزر يتزايد عدد هذه الفوتونات وتتصاعد طاقتها كلما
طالت
مسيرتها، الأمر الذي يتحقق بوجود السطحين العاكسين. وفي نهاية الأمر تتمكن
الفوتونات عالية الطاقة من اختراق السطح نصف العاكس، منطلقة إلى خارج مولد
أشعة
الليزر على شكل حزمة دقيقة من الأشعة المكثفة والمتوازية والمترابطة، هي
حزمة أشعة
الليزر.
الشكل 1
الشكل 2
الشكل 3
انكماش فتزجيرالد لورنتز
لقد أوضح ألبرت
اينشتين
* في نظريته النسبية الخاصة * أنه من أهم الأسباب التي أدت إلى العديد من
المشاكل
واللبس الذي وقع فيه العلماء في أواخل القرن التاسع عشر ترتبط بالطريقة
التي نتبعها
في قياس أطوال الأجسام وكتلها، وخاصة الأجسام التي تتحرك بالنسبة إلينا.
وكذلك عند
قياسنا للفترة الزمنية بين حدثين متتاليين. وقد أوضح أينشتين أن هناك
طريقتين
مختلفتين لقياس طول جسم من الأجسام. فعلى سبيل المثال، نفرض أن المطلوب
قياس طول
إحدى عربات قطار متحرك. في هذه الحالة يمكن إجراء هذا القياس بواسطة مشاهد
بداخل
العربة، أي مشاهد ساكن بالنسبة للعربة ويتحرك معها. ولنفرض أنه، بحسب
قياسات هذا
المشاهد، وجُد أن طول العربة (ل.) . أما إذا قام مشاهد آخر، يقف على رصيف
المحطة،
بإجراء عملية القياس لنفس العربة أثناء مرور القطار أمامه متحركاً بسرعة
منتظمة (ى)
فإنه في هذه الحالة سوف يستخدم وسائل أخرى مناسبة كي يتمكن من حساب طول
العربة،
ولنفرض أنه قدر طول العربة بالقيمة (ل) حسب قياساته هو. ومن الطبيعي أن
يختلف
التقديران. وقد وجد أينشتين باستخدام «تحويلات لورنتز» * أن العلاقة بينهما
هي:
ل= ل ؟ 1 ـ ى 2/ج 2 حيث ج هي سرعة الضوء، وحيث أن سرعة القطار ى تكون عادة
أصغر
كثيراً من سرعة الضوء ج فإن ى 2/ج 2 تكون أصغر من الواحدالصحيح. وعلى ذلك
فإن ل
تكون أصغر من ل.، أي أن تقدير المشاهد الواقف على رصيف المحطة لطول العربة
التي
تتحرك بالنسبة إليه يكون أقل من تقدير المشاهد الساكن بالنسبة للعربة لهذا
الطول.
أي أن المشاهد الذي تتحرك العربة بالنسبة إليه يخيل إليه كما لو كان طول
العربة قد
انكمش. وقد عرفت هذه النتيجة باسم «انكماش فتزجيرالد» على اسم العالم
الأيرلندي
فتزجيرالد الذي يقال إنه أول من استخدم تعبير «انكماش الطول» عام 1893 عند
محاولته
تفسير النتيجة السلبية لتجربة ميكلسون ـ مورلى *. كما يطلق على هذه الظاهرة
أيضاً
«انكماش لورنتز».
ومن المهم أن ندرك أن الانكماش هنا ليس انكماشاً فيزيائياً، ولكنه نشأ عند
المقارنة
بين طريقتين مختلفتين للقياس: في إحداهما يكون الجسم المراد تقدير طوله
متحركاً
بالنسبة للمشاهد الذي يقوم بعملية القياس، وفي الثانية يكون الجسم ساكناً
بالنسبة
للمشاهد. وبصورة أخرى نقول إنه إذا تحرك قضيب بالنسبة لمشاهد ما في اتجاه
طوله، فإن
القضيب يظهر للمشاهد كما لو كان قد انكمش. أما إذا تحرك القضيب في اتجاه
عمودي على
طوله فإنه لا يظهر أي انكماش. وقد ارتبطت هذه النتيجة بما يعرف باسم «تناقض
إرِنفست» *.
الحركة المستقيمة
Rectilinear Motion
يعبر عن المسافة
التي
يقطعها جسم متحرك في وحدة الزمن بالسرعة. وَتعرف السرعة المتوسطة: النسبة
بين
المسافة المقطوعة والزمن الذي تم فيه قطع تلك المسافة.
وتقاس السرعة بوحدة مسافة / وحدة زمن؛ أي (م/ث) أو (كم/ساعة).
وعند لحظة معينة تسمى السرعة بالسرعة اللحظية للسيارة إن السرعة التي تتغير
باستمرار زيادة كان ذلك أو نقصاناً تسمى حركة ذات تسارع. ويعرف التسارع
كالآتي:
التسارع: المعدل الزمني للتغير في السرعة.
الحركة الدائرية المنتظمة
Uniform Circular Motion
لو ربطت حجراً
بطرف خيط،
وأمسكت بيدك الطرف الآخر للخيط، ثم قمت بتحريك الحجر في مسار دائري في
مستوى، فإنك
ستلاحظ أنه:
ـ عليك أن تشد الخيط دائماً بقوة لإجبار الحجر على الاستمرار في الحركة
الدورانية.
ـ تزداد قوة الشد في الخيط بزيادة سرعة دوران الحجر.
ـ إذا أفلت الخيط، فإن الحجر سوف ينطلق باتجاه المماس للمسار الدائري الذي
كان
يسلكه لحظة الإفلات.
إن الحركة التي يتحركها الحجر المربوط بالخيط تسمى حركة دائرية منتظمة
وتعرف على
النحو الآتي:
الحركة الدائرية المنتظمة هي حركة جسم في مسار دائري بحيث يمسح زوايا
متساوية في
أزمنة متساوية.
حتى يتحرك جسم حركة دائرية منتظمة، يستلزم ذلك التأثير فيه بقوة ثابتة
المقدار،
وباتجاه متعامد مع اتجاه حركة الجسم؛ أي باتجاه مركز الدائرة التي يدور
فيها الجسم،
وحسب قانون نيوتن الثاني، فإن هذه القوة سوف تكسب الجسم تسارعاً باتجاهها؛
أي
باتجاه مركز الدائرة؛ لذلك فإن هذه القوة تسمى القوة الجابذة (المركزيّة)،
والتسارع
الناشىء عنها بالتسارع الجابذ (المركزيّ). أما بالنسبة لسرعة الجسم
الانتقالية،
فيبقى مقدارها ثابتاً، وتأخذ اتجاه المماس للمسار الدائري عند أي نقطة
عليه.
حركة الأجسام في مجال الجاذبية الأرضية في قانون نيوتن في الجذب العام:
لقد عمم نيوتن وجود هذه القوى بين جميع الأجسام في الكون مهما صغرت أو
كبرت؛ أي أن
هنالك قوة تجاذب متبادلة بين أي جسمين في الكون، فمثلاً تجذب الأرض القمر
نحو
مركزها، ويجذب القمر الأرض بالقوة نفسها نحو مركزه أيضاً، وكذلك التفاحة
التي قيل
إنها سقطت على رأس نيوتن تجذب الأرض كما تجذبها الأرض وبالقوة نفسها. وقد
افترض
نيوتن أن قوة التجاذب بين أي جسمين تتحدد بالعوامل الآتية:
أ ـ كتلة كل من الجسمين.
ب ـ المسافة بين مركزي الجسمين.
وينص قانون نيوتن في الجذب العام على أن:
تتناسب قوة الجذب المتبادلة بين أي جسمين في الكون تناسباً طردياً مع حاصل
ضرب
كتلتي الجسمين، وعكسياً مع مربع المسافة بينهما.
الحركة التذبذبية والتوافقية البسيطة
1 ـ الحركة التذبذبية Oscillatory Mtion:
الحركة التذبذبية: نمط من أنماط الحركة يتحرك فيها الجسم حول
موضع
سكونه، بحيث تكرر نفسها عدداً من المرات، في فترات زمنية متساوية.
والذبذبة الكاملة: الحركة التي يعملها الجسم المتذبذب في الفترة الزمنية
بين مروره
بنقطة معينة في مسار حركته مرتين متتاليتين.
وتسمى أكبر إزاحة للجسم المهتز من موضع سكونه اتساع الحركة التذبذبية ، كما
يسمى
الزمن اللازم لإتمام ذبابة كاملة الزمن الدوري. كما يسمى عدد الذبذبات
الكاملة التي
يتمها الجسم خلال وحدة الزمن بتردد الجسم.
التردد (ت د)= عدد الذبذبات الكاملة التي ينجزها الجسم / الزمن المستغرق في
إتمامها
ذبذبة/ث أو هيرتز.
الزمن الدوري = الزمن المستغرق في إتمام عدد معين من الذبذبات / عدد
الذبذبات
المنجزة 2 ـ الحركة التوافقية البسيطة Simple Harmonic Motion:
ومن الأمثلة على الحركة التوافقية البسيطة ما يأتي:
ـ حركة كتلة معلقة بطرف نابض (حركة أفقية أو رأسيّة).
ـ الحركة التذبذبية لفرعي شوكة رنانة.
ـ الحركة التذبذبية لوتر.
ـ الحركة التذبذبية لدقائق الوسط الناقل للموجات الميكانيكية.
ـ الحركة التذبذبية للإلكترونات في سلك يسري فيه تيار كهربائي متناوب.
وبصورة عامة تنشأ الحركة التوافقية البسيطة بفعل قوة تؤثر في الجسم،
وتتناسب طردياً
مع الإزاحة التي تحدث للجسم عن موضع سكونه، ويكون اتجاه القوة في عكس اتجاه
الإزاحة
دائماً كما في الشكل، أي أن: ق ر= ث؟س وتسمى هذه القوة بالقوة المعيدة (أو
المرجعة)
(Restoring force) لأنها تحاول إرجاع النابض لوضعه الأصلي. ومن شأن هذه
القوة أن
تحرك الجسم (جيئة وذهاباً)، كما هو الحال في الرقّاص (البندول) أو في جسم
مربوط
بنابض.
الحركة التوافقية البسيطة: الحركة التذبذبية التي تتناسب فيها القوة
المعيدة
تناسباً طردياً مع الإزاحة الحادثة للجسم المهتز وفي اتجاه معاكس لها.
تاريخ اكتشاف
الذرة
تحويلات لورنتز
لقد تعرض العالم الهولندي هـ.أ.
لورنتز *،
أثناء قيامه بإجراء بعض التطبيقات على معادلات ماكسويل الخاصة بالمجال
الكهرومغنطيسي *، تعرّض لمشكلة أساسية تتعلق بالعلاقات الرياضية بين
القياسات
الخاصة بالمكان والزمان التي يجريها كل من مشاهدَيْن يحتركان بسرعة نسبية
منتظمة
عندما يرصدان نفس الحادثة. فقد وجد لورنتز أنه لو كان لدينا مشاهدان أ، ب
مثلاً فإن
المشاهد أ يعين أية حادثة «د» تقع تحت إدراكه بأربع كميات: (س، ص، ع) مثلاً
لتعيين
مكانها بالنسبة لمجموعة متعامدة من المحاور (م س، م ص، مع) . ثم يعين زمان
حدوث
الحادثة وليكن ن. وبذلك تتعين الحادثة تماماً حسب قياسات المشاهد أ على
الصورة:
د[(سَ، صَ، عَ)، ن]كذلك المشاهد الآخر ب عندما يرصد أية حادثة «دَ» تقع تحت
إدراكه،
فإنه يعينها هو الآخر بأربع كميات خاصة به هو: (سَ، صَ، عَ) بالنسبة
لمجموعة من
المحاور المتعامدة (مَ سَ، مَ صَ، مَ عَ) لتعيين مكانها، نَ لتعيين لحظة
حدوثها. أي
أن دَ[(سَ، صَ، عَ)، نَ]والمشكلة تنشأ عندما يرصد المشاهدان أ، ب نفس
الحادثة، أي
عندما د = دَ، وكان المشاهد ب مثلاً يتحرك بسرعة منتظمة ى بالنسبة للمشاهد
أ.
والسؤال المطروح في هذه الحالة: ما هي العلاقات التي تربط الكميات الأربع
التي تعين
الحادثة د بالكميات الأربع التي تعين الحادثة دَ؟ بمعنى أنه لو عرفت إحدى
المجموعتين فإنه يمكن تعيين المجموعة الأخرى. ولتيسير الإجابة نفرض أنه عند
بدء
الزمن، أي عندما ن = نَ= صفر كان المشاهدان معا وكانت محاورهما متطابقة.
ولنفرض أن
سرعتهما النسبية ى في اتجاه م س. في هذه الحالة تكون العلاقات المطلوبة،
حسب قواعد
الميكانيكا
النيوتونية
هي:
سَ = س ـ ى ن، صَ = ص، عَ = ع، نَ = ن إلا أن لورنتز عندما تصدى
لهذه
المشكلة عام 1896 رفض استخدام هذه العلاقات على الصورة السابقة، إذ أنها لا
تؤدى
إلى محافظة معادلات ماكسويل على صورتها عند تحويلها بموجب هذه العلاقات من
مجموعة
المشاهد ب إلى مجموعة المشاهد أ. وقد تمكن لورنتز من استنباط الصورة التي
يجب أن
تكون عليها هذه العلاقات كي تحافظ على صورة معادلات ماكسويل، ووجد أنها سَ =
B (س ـ
ى ن)، صَ = ص، عَ = ع، نَ = B (ن ـ ى/ج 2 س)
حيث B = 1/؟ 1 ـ ى 2/ج 2، ج هي سرعة الضوء وسميت هذه العلاقات باسم
«تحويلات
لورنتز»، كما سميت المجموعة الأولى باسم «تحويلات جاليليو». ويلاحظ أن
تحويلات
لورنتز تؤول إلى تحويلات جاليليو عندما تكون السرعة النسبية للمشاهدين ى
صغيرة
بالنسبة لسرعة الضوء ج بحيث يمكن إهمال الكمية ى 2/ج 2. وقد تمكن أينشتين
عام 1905
من اشتقاق تحويلات لورنتز مستنداً فقط على الفرضين الأساسيين للنسبية
الخاصة *.
تغير الكتلة مع السرعة
في ميكانيكا النسبية الخاصة *. ثبت
أن كتلة
الجسم المتحرك تتغير تبعا لسرعته فتزداد بازدياد تلك السرعة. وبصورة أدق،
إذا تحرك
جسم بسرعة منتظمة ع بالنسبة لمشاهد ما، فإن كتلة الجسم ك بالنسبة لهذا
المشاهد تحقق
العلاقة:
ك = ك/1 ـ ع 2/ج 2 حيث ج هي سرعة الضوء.
ومن هذه العلاقة يتضح أن ك = ك. عندما ع = صفر. أي أن ك. هي كتلة الجسم
عندما يكون
ساكناً بالنسبة للمشاهد ويطلق عليها اسم «الكتلة الفعلية للجسم» * (proper
mass)،
كما تسمى أيضاً «بكتلة السكون» * (rest mass) .
ومن أهم نتائج هذه العلاقة والتي لم تكن معروفة في الميكانيكا النيوتونية
*، أنه
أمكن إيجاد علاقة مباشرة بين الكتلة والطاقة لجسم متحرك[انظر: العلاقة بين
الكتلة
والطاقة].
وقد ارتبط بهذه العلاقة مفهوم خاطىء وهو أنه عندما تزداد سرعة الجسم ع بحيث
تصبح
مساوية لسرعة الضوء أي عندما ع = ج فإن كتلة الجسم ك تصبح لا نهائية في
الكبر. وهذا
الاستنتاج غير صحيح إذ أنه في حالة «الفوتون» * وهو الجسم الذي يتحرك بسرعة
الضوء
تكون سرعة السكون ك. مساوية للصفر. وحسب العلاقة السابقة تصبح كتلة الفوتون
ك =
صفر/صفر، وهذه كمية غير معينة رياضياً.
تناقض الساعة
بعد ظهور النظرية النسبية الخاصة *
التي
وضعها إلبرت أينشتين عام 1905 ظهرت عدة تناقضات ظاهرية فيما يتعلق بنتائج
هذه
النظرية. ومن أهم هذه التناقضات تناقض إرنست *، وتناقض الساعة. والغريب أن
أينشتين
نفسه هو أول من كتب عن التناقض الأخير عام 1905 م، ثم عاد وكتب عنه ثانية
عام 1911،
ولم يقم بأية محاولة لتفسير ما يشوبه من لبس أو غموض.
ويتلخص هذا التناقض في أننا لو عتبرنا مشاهدين أ، ب يجلسان معاً وكل منهما
معه ساعة
لتحديد الوقت، والساعتان متطابقتان تماماً. ثم تحرك أحدهما وليكن ب بسرعة
منتظمة
مبتعداً عن زميله، الذي ظل ساكناً، في رحلة طويلة ثم ارتد عائداً إلى زميله
أ.
وبحسب ظاهرة اتساع الفترات الزمنية * في النسبية الخاصة فإن تقدير المشاهد أ
لزمن
الرحلة يكون أكبر من تقدير ب له. إذ أن المشاهد أ يخيل إليه أن الساعة التي
يحملها
زميله ب المتحرك بالنسبة إليه تؤخر. وحيث أن المسألة في الحركة النسبية
متماثلة
تماماً. أي أنه يمكن اعتبار أن المشاهد أ هو الذي تحرك في الاتجاه المضاد
لحركة ب،
بينما ترك زميله ساكناً. وحيث أن أ يحمل الآن الساعة المتحركة والتي تظهر
للمشاهد ب
كما لو كانت تؤخر. فإنه في هذه الحالة يكون تقدير ب لزمن الرحلة أكبر من
تقدير أ
لها، وبذلك يكون هناك تناقض بين النتيجتين. وقد ثبت بعد ذلك أن هذا التناقض
ظاهري،
إذ أنه لكي يرتد أي من المشاهدين عائداً لزميله فيجب أن يقف أولاً ثم يرتد
بنفس
السرعة، وهذا يقتضى تأثير قوة خارجية لتوقف الجسم ثم بعد ذلك تكسبه سرعة
مساوية في
الاتجاه المضاد. وهذا لا يدخل في نطاق النسبية الخاصة لأنها قاصرة على حركة
المشاهدين بسرعة منتظمة وبدون عجلة. وذلك يدخل في نطاق النظرية النسبية
العامة *.
وقد تم حل هذه المسألة حلا كاملاً في نطاق النسبية العامة عام (1952) .
تواريخ مهمة في
الفيزياء
القرن الرابع قبل الميلادقدم أرسطو
نظريات
في مجالات عديدة من الفيزياء
القرن الثالث قبل الميلاداكتسف أرخميدس قانون العتلة وقوانين تتعلق بسلوك
السوائل
القرن الثاني الميلاديتصور بطليموس أن الأرض ساكنة تدور حولها النجوم
والكواكب
والشمس والقمر
1017 م اخترع البيروني أول جهاز لقياس كثافة
المواد
1020 م وضع العالم العربي ابن الهيثم أساس علم
البصريات
في عدة كتب فيزيائية مهمة مثل كتاب المناظر الذي درس فيه الضوء وانكساراته
وطبيعة
الإبصار وتشريح العين
1135 م أجرى الخازن أولى التجارب لإيجاد
العلاقة
بين وزن الهواء وكثافته
1270 م أجرى روجر بيكون دراسات في البصريات
1543 م نشر نيكولاس كوبرنيكوس نظريته بأن الأرض
والكواكب
تتحرك في مدارات دائرية حول الشمس
1600 م اكتشف جاليليو قوانين مهمة في حقول
فيزيائية
كثيرة, بصفة خاصة في الميكانيكا
1687 م نشر نيوتن قوانينه للحركة
1690 م نشر كريستيان هايجنز نظرية موجية الضوء
1798 م ذكر بنيامين طومسون وكاونت رمفورد أن
حركة
الجسيمات خلال مادة تنتج حرارة
1801 م - 1803مأحيا توماس يونج النظرية الموجية للضوء
1803 م أعلن جون دالتون لأول مرة نظريته الذرية
عن تركيب
المادة
القرن التاسع عشر الميلاديأنتج مايكل فارادي وجوزيف هنريكل على حده
الكهرباء من
المغتطيسية
1847 م اكتشف جيمس جول أن الحرارة والطاقة يمكن
أن يتحول
كل منهما للآخر بمعدل ثابت
1864 م نشر جيمس كلارك ماكسويل نظريته
الكهرومغنطيسية
للضوء
1887 م أثبتت تجربة مايكلسون ومورليعدم وجود
الأثير
1895 م اكتشف ويلهلم ك. رونتجن الأشعة السينية
1896 م اكتشف أنطوان هنري بكويريل الإشعاع
الطبيعي
1898 م استخلصت ماري كوري وزوجها بييرعنصر
الراديوم
المشع
1900 م نشر ماكس بلانك نظريته الكمية
1905 م نشرأينشتاين نظريته النسبية الخاصة
مزلزلاً أركان
التصور النيوتوني للكون
1911 - 1913 م اقترح إرنست رذرفورد ونيلز
بورنماذج على
شكل نظام كوكبي للذرة
1915 م أعلن أينشتاين نظريته النسبية العامة
1924 م قدم لوي دي بروغلي النظرية الموجبة
للإلكترون
1925م - 1926مطور كل من إيرفين شرودينجر وفرنر هيسينبرج, كل على حده, نظماً
لتنسيق
الفيزياء الكمية.
1930 م تنبأ بول ديراكب وجود البوزيترون وهو
إلكترون
موجب الشحنة
1931 م أنشأ السير جون كوكروفت وأرنست والتنأول
معجل
جسيمات
1932 م اكتشف جايمس شادويك وجود جسيمات متعادلة
في نواة
الذرة، أطلق عليها فيما بعد النيوترونات
1938 م تمكن أوتو هان وفرتز ستراسمانمن شطر ذرة
اليورانيوم
1942 م حقق إنريكو فيرمي وزملاؤه أول تفاعل نووي
متحكم
فيه
1945 م أول تفجير لقنبلة ذرية في نيومكسيكو،
تبعه إلقاء
قنبلتين في نفس السنة على اليابان
1947 م اخترع جون باردين ووالتر. براتين وويليام
شوكلي
الترانزستور
1960م صنع ثيودور ميمان أول ليزر
1964 م اقتراح موري جل - مان وجورج زفايجوجود
جسيمات
الكوارك جسيمات أساسية
1974 م اكتشف بيرتون ريختر وصمويل. سي. سي.تنج
نوعاً من
الجسيمات تحت الذرية سمي بجسيم إبساي أو جسيم جي
1983 م اكتشف باحثون تحت قيادة كارلو روبيا
ثلاثة جسيمات
تحت ذرية, هي جسيمات +w و -w و z?
1995 م إكتشف العلماء في مختبر فرمي الجسيم تحت
الذري
الكوارك فوقي
2000 م إكتشف العلماء في مختبر فرمي جسيماً تحت
ذري سمي
تاو نيوترينو
حوادث المفاعلات
النووية
حتى 21 ديسمبر 1990 كان هناك 423
مفاعلاً
نوويا تعمل في 24 بلداً على نطاق العالم. منها 112 مفاعلاً في الولايات
المتحدة.
وتقع «الحوادث الروتينية» التي يشار إليها بالأحداث غير العادية من وقت
لآخر أثناء
تشغيل هذه المفاعلات. وقد صنفت الوكالة الدولية للطاقة الذرية هذه «الأحداث
غير
العادية» على أنها أحداث لا تتعلق بالسلامة (بمتوسط تكرار 5ر0 إلى
حدث/أسبوع/مفاعل)، وأحداث متعلقة بالسلامة (5ر0 حدث/شهر/مفاعل)، وأحداث ذات
إضرار
بالسلامة (5ر0 إلى 1 حدث/سنة/مفاعل) وخلال الفترة من 1970 ـ 1990 أدى كثير
من
اوحداث غير العادية إلى إغلاق المفاعلات. فعلى سبيل المثال كان هناك 195
حادثاً في
الولايات المتحدة في الفترة ما بين مايو وسبتمبر 1984 فقط. وبصفة عامة لم
تسفر
حالات الاغلاق هذه وأمثالها عن انطلاق إشعاعات في البيئة مع أن قليلاً منها
أدى إلى
تلوث بعض العاملين أو المناطق المحصورة حول المعامل.
وبالرغم من الاجراءات والاحتياطات المعقدة التي تتخذ لمنع وقوع حادث كبير،
وقعت عدة
حوادث، كان أهمها حادث ثرى مايل أيلاند بالولايات المتحدة عام 1979، وحادث
تشيرنوبيل باتحاد دول الكومنولث عام 1986 (انظر: مفاعل نووى) .
حادث ثرى مايل أيلاند: في الصباح الباكر من يوم 28 آذار/مارس 1979 أصيب
المفاعل
المبرد بالماء المضغوط الذي تصل قدرته إلى 880 ميجاواط في Three Mile
Island Unit
2، الذي كان يعمل بكامل طاقته تقريباً، بتوقف التغذية العادية بالمياه مما
أدى إلى
تعطل التوربين ومن بعده توقّف المفاعل. وتبعاً لذلك حدثت سلسلة من الأحداث
أدت
نتيجتها إلى ضرر شديد في قلب المفاعل. ووصلت درجات الحرارة محلياً في قلب
المفاعل
إلى حد ذوبان الوقود.
وقد انطلقت في البيئة مواد انشطارية إشعاعية، تضمنت بشكل رئيسي، الغازات
الخاملة
(زينون ـ 133 وزينون ـ 135) ومقادير ضئيلة من اليود ـ 131. لم يقتل أحد
نتيجة
الحادث، ولم يكن هناك أثر ملحوظ للإشعاع على صحة الجمهور. وأدى الحادث إلى
إجلاء
نحو 22000 شخص من المناطق المحيطة بالموقع.
كارثة تشيرنوبيل: تقع محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية، على بعد 130 كم شمال
كييف،
باتحاد دول الكومنولث،. وفي 26 أبريل 1986 في الساعة 1 و23 دقيقة صباحاً
وقع انفجار
في الوحدة رقم 4 بها ونتيجة للحادث حصل تفتت في الوقود، وانفجارات بخارية
وهدروجينية، وارتفعت درجة حرارة المفاعل المحترق إلى عدة آلاف درجة مئوية
مؤدياً
إلى انصهار قلب المفاعل وانطلاق الإشعاعات من عناصر الوقود المدمرة خلال
فترة 10
أيام.
وأدى الحادث إلى انطلاق كميات ضخمة من النويدات المشعة في الغلاف الجوى.
وكان من
بين هذه النويدات المهمة من الناحية الطبية الحيوية: سترنشيوم ـ 90 واليود ـ
131
والسيزيوم ـ 137.
وانتقلت المواد المشعة المنبعثة من تشيرنوبيل إلى مسافات بعيدة ووصلت إلى
أماكن
تبعد آلاف الكيلومترات عن مصدرها. فقد عبرت الحدود إلى بولندا وجنوب فنلندا
السويد
والنرويج. وإلى ألمانيا، واليونان وعبر الجمهوريات السوفياتية (سابقا)
والبلدان
الاسكندنافية والمملكة المتحدة.
تركز الاهتمام في بداية الأمر على اليود ـ 131 الذي تأكله الأبقار خلال
رعيها ويظهر
في ألبانها. كما تلوثت الخضر الورقية والفواكه المزروعة في الخارج مما أدى
إلى
التخلص منها. وقد اتخذت تدابير خاصة في اسكندنافيا والمملكة المتحدة للحد
من نقل
المواشي وذبحها.
ومع أن مجموع الوفيات نتيجة للحادث كان 31 شخصاً في البداية، فقد أعلنت
حكومة اتحاد
الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية (سابقاً) أن جملة الوفيات تراوحت بين 250
و300
شخص بعد أربع سنوات من الحادث. وتوضح البيانات الطبية عن الفتترة 1986 ـ
1990، في
منطقة المراقبة الدقيقة حول تشيرنوبيل، ارتفاعاً بنسبة 50 في المائة في
متوسط تكرار
الإصابة بأمراض الغدة الدرقية والأورام الخبيثة ونمو الأنسجة (وازداد سرطان
الدم
بنسبة 50 في المائة)، بالإضافة إلى زيادة خطيرة في حالات الإجهاض وولادة
أطفال
بتشوهات جينية.
خواص الدقائق الأساسية في الذرة
طاقة الترابط النووي
هي الطاقة المساوية لمقدار الشغل
اللازم
إعطاؤه للنواة لتبتعد نوياتها بعضها عن بعض تماماً، وهي تكافىء النقص في
كتلة نويات
النواة.
حسابها: طاقة الترابط النووي = (مجموع كتل نويات النواة ـ كتلة النواة
الفعلية) ×
931,44 م.أ.ف كسر الترابط:
هو طاقة الربط للنوية الواحدة بالنواة.
كسر الترابط = طاقة الترابط النووي/رقم الكتلة منحنى كسر الترابط:
هو منحنى بياني يوضح العلاقة بين كسر ترابط نوى ذرات العناصر ورقم كتلتها.
ملاحظات:
1 ـ يمكن إيجاد كسر الترابط لنواة أي عنصر بمعلومية رقم كتلته
وطاقة
ترابطه النووي.
2 ـ أثبت النوى الخفيفة هي نواة الهيليوم ولهذا فإن أكثر النوى الخفيفة
استقراراً
هي التي لها رقم كتلة مضاعف لرقم 4 لأن النوى المستقرة تميل نوياتها لتكوين
مجاميع
من دقائق ألفا داخلها.
3 ـ النوى الخفيفة تكون مستقرة إذا احتوت على أعداد متساوية من البروتونات
والنيوترونات حتى رقم كتله (40) . فمثلاً الأكسجين أ فيها عدد البروتونات =
عدد
النيوترونات ولذا فهي من النوى الخفيفة المستقرة.
4 ـ النوى التي لها رقم كتلة أكبر من (40) لضمان استقرارها فإنها تميل
لزيادة عدد
نيوتروناتها قليلاً عن عدد البروتونات للمساعدة هي تقليل قوة التنافر داخل
النواة.
طاقة التفاعل
النووي
هي الطاقة المكافئة للفرق بين مجموع
كتل
النوى الداخلة في التفاعل النووي والناتجة منه.
أ + ب = ح + ء = ط ويكون التفاعل ماصاً للطاقة إذا كان مجموع كتل النوى
الناتجة
أكبر من مجموع كتل النوى الداخلة في التفاعل.
ويكون مولداً للطاقة إذا كان مجموع كتل النوى الناتجة أقل من مجموع كتل
النوى
الداخلة في التفاعل.
والتفاعلات المولدة للطاقة تشمل الانشطار النووي والاندماج النووي.
طاقة الليزر
استعمل الليزر في سلسلة مدهشة من
أوجه
الاستعمال خلال حياته القصيرة: من إحداث ثقوب في الماس إلى إجراء عمليات
دقيقة في
العين، ومن قياس الفضاء بين القمر والأرض إلى كشف أصغر الحركات. ولا يبدو
مستقبله
أقل روعة، بما يبشرنا به من تلفيزيون ذي ثلاثة أبعاد وقوة نووية زهيدة
الثمن. من
الواضح إذن أن الليزر ليس مصدراً عادياً للضوء.
ما هو الليزر
الليزر النبضي هو، في الأساس، جهاز
لخزن
الطاقة ثم لاطلاقها دفعة واحدة وأحداث حزمة كثيفة جداً من الضوء. قلب
الليزر بلورة
أو أنبوب غاز أو سائل تضخ فيه الطاقة (1) . يتم ذلك عادة باحاطته بجهاز
ينتج وميضاً
قوياً من الضوء أو حزمة كثيفة من الموجات الاشعاعية أو الالكترونات.
أول ليزر نبضي أخترعه ثيودور هـ. ميمان عام 1960 وكان يحتوي على بلورة من
ياقوت،
ويحدث وميضاً قصيراً من الضوء الأحمر. أما اليوم، فالليزرات ذات الموجة
المتواصلة
تحدث حزماً متواصلة من الأضواء ذات الوان عدة، ومنها ما يطلق أشعة تحت
الحمراء أو
فوق البنفسجية.
نشاطات
الفوتونات
يحث الذرات لاطلاق فوتوناتها وصول
فوتونات
أخرى، فينتج عن ذلك اشعاع ضوئ
النووية
هي أجهزة يتم فيها التفاعل المتسلسل
في
اليورانيوم الطبيعي أو البلوتونيوم كما يتم فيها تنظيم التفاعل المتسلسل
والسيطرة
عليه.
وتنقسم المفاعلات النووية إلى:
1 ـ المفاعلات الحرارية:
وفيها تعرض النيوترونات الناتجة من الانشطار إلى مادة مهدئة لتقليل سرعتها
لتصل إلى
السرعة الحرارية اللازمة لشطر يورانيوم 235.
2 ـ المفاعلات السريعة والمولدة:
لا يستخدم فيها مادة مهدئة والغرض منها إنتاج البلوتونيوم الذي يستخدم في
صناعة
القنابل الذرية.
| المكونات | المادة المستخدمة | ملاحظات |
| الوقود النووي | نظيراليورانيوم (235) | بكمية تكفي لحدوث التفاعل المتسلسل.(الكتلة الحرجة) |
| مادة مهدئة | الكربون(الجرافيت)أو الماء الثقيل وغيرها | تعمل علىإبطاء سرعة النيوترونات الناتجة عن الانشطار |
| مادة منظمة | قضبان منالكادميومأ والبورون | الغرض منهاالتحكم في عدد النيوترونات التي تسبب استمرار الانشطار النووي وسرعته، ولذلك توضع بين قضبان الوقود النووي، حيث لها القدرة على امتصاص النيوترونات، وبذلك يسير التفاعل بمعدل مأمون، كما يمكن إيقاف التفاعل بواسطتها عند إدخال عدد كاف من القضبان |
| مادة مبردة | الماء عادة | فائدته نقل الحرارةالناتجة عن الانشطار النووي إلى مبادل حراري، ومنه إلى توربين لتوليد الطاقة الكهربائية |
ملاحظة:
يحاط المفاعل النووي بسياج واق من الخرسانة المسلحة والرصاص،
وفائدته
الوقاية من الحرارة العالية، ومنع تسرب إشعاعات ألفا وبيتا وجاما الناتجة
عن التحلل
التلقائي للوقود النووي.
الميكانيكا
الميكانيكا: فرع من علم الفيزياء
يبحث في
تأثير القوى على الأجسام الصلبة والسائلة والغازية في حالة الحركة والسكون.
فهي
تدرس, على سبيل المثال, كيف تعمل القوة على جسم لتنتج تسارعاً. وسماها
العرب
الأقدمون علم الحيل. يعتمد المهندسون على علم علم الميكانيكا لتحديد
الإجهادات
والتشوهات في أجزاء الآلات كالتروس المُسنَّنة أو الأجزاء التركيبية كأعمدة
التحميل. كما يستخْدم المهندسون أسس الميكانيكا في تصميم وتصنيع الأجزاء
المختلفة
الأحجام سواء كانت شديدة الدقة كأجزاء الحاسوب، أو شديدة الضخامة كالسدود.
كذلك
يستخدمها علماء الفلك في إجاء تنبؤاتهم بتحركات النجوم والكواكب والأجرام
الكونية،
كما يستخدمها علماء الطبيعة في بحوثهم عن الجسيمات الذرية.
تنقسم الميكانيكا إلى قسمين الإستاتيكا والديناميكا فالإستاتيكا تُعني
بالبحث في
طبيعة الأجسام في حالة السكون أو الحركة في سرعة ثابتة واتجاه ثابت. أما
الديناميكا
فتُعني بالبحث في طبيعة الأجسام المتغيرة السرعة أو الاتجاه أو كليهما،
وعلاقتهما
بالقوى المؤثرة الأخرى.
وتعني ميكانيكا الجوامد بالبحث في حركة المواد الصلبة والأجسام الجامدة
القابلة
للتشكل والقوى التي تُسبِّب هذه الحركة. أما الميكانيكا المتصلة فتتعامل مع
المواد
المتغيرة الشكل، مثل الغازات والسوائل والأجسام الصلبة المرنة. ويشمل علم
الميكانيكا المتصلة نظرية المرونة، وهي دراسة التشكيلات الارتدادية للمواد
الصلبة،
ونظرية اللدونة؛ أي دراسة التشكيلات الدائمة للمواد الصلبة، وديناميكا
الموائع أي
دراسة حركة الموائع، وكذلك الديناميكا الهوائية؛ أي دراسة الغازات وحركتها
حول
الأجسام، وأخيراً الهيدروليكا وهي دراسة السوائل في حالة السكون أو الحركة.
الميكروفون
جهاز يعمل على تحويل الصوت إلى طاقة
كهربائية. وتنتقل هذه الطاقة مباشرة عبر أسلاك أو خلال موجات راديو، إلى
مُستقبل
مرتبط مع مكبر للصوت، أو أداة أخرى تحوله إلى صوت. وقد اتخذ أول ميكروفون
شكل هاتف
البث الذي طوره المخترع الأمريكي ألكسندر جراهام بِل عام 1876 م. واليوم
تستخدم
الميكروفونات في أنظمة مخاطبة الجمهور، وفي بث العروض التلفازية والإذاعية،
وفي
تسجيل الصوت للأفلام، وفي طبع الأسطوانات، وفي تسجيلات الكاسيت. وتُستَخدم
الميكروفونات أيضاً في الإذاعاتُ الشعبية وإذاعات الهُواة.
النشاط الإشعاعي
الطبيعي
والنشاط الإشعاعي الصناعي
النشاط الإشعاعي الطبيعي هو نشاط
العناصر
المشعة الموجودة في الطبيعة مثل اليورانيوم.
أما النشاط الإشعاعي الصناعي فهو نشاط العناصر المشعة المحضّرة من
التفاعلات
النووية.
وفي النشاط الإشعاعي الطبيعي يشع العنصر دقائق ألفا وبيتا مع خروج فوتونات
جاما،
ويتحول العنصر المشع إلى عنصر مشع آخر وهكذا حتى يستقر العنصر عندما يُصبح
رصاصاً.
أما في النشاط الإشعاعي الصناعي فإن العنصر يشع إما دقيقة بيتا السالبة
ويستقر،
وإما دقيقة بيتا الموجبة ويستقر بالإضافة إلى خروج فوتونات جاما.
النظائر المشعّة
يوجد في الطبيعة أكثر من 270 نظيراً
ثابتاً،
ونحو 50 نظيراً آخر مشعاً، بما فيها نظائر اليورانيوم والراديوم. وتسمى هذه
النظائر
التي تقذف جسيمات أو أشعة نظائر مشعة.
وكل العناصر التي هي أثقل من البزموت (عدده الذري 83) مشعة. وتنحل (تتفكك)
هذه
الذرات المشعة وتتحول إلى نظائر لعناصر أخر أخف وزناً. فهي تنتمي إلى ثلاث
سلاسل
انحلال مشعة تبدأ بـ 238U و 235U و 232Th. وتنحل هذه الذرات الثقيلة إلى
نظائر
مختلفة، وتستمر هكذا حتى تتحول إلى نظائر الرصاص المستقرة الثابتة. أما
السرعة التي
تنحل بها النظائر المشعة فتقاس بنصف العمر، أو بالوقت اللازم حتى تنحل ذرات
عينة ما
إلى النصف. ولكلِّ نظير نصف عمر معين. وبعض النظائر في السلاسل المشعة تنحل
ببطء.
فنظير الراديوم 226Ra مثلاً، له نصف عمر يصل إلى 1,600 سنة. وبعض العناظر
الأخرى
تنحل بسرعة فائقة، حتى أن أنصاف أعمار بعضها يساوي جزءاً صغيراً من ثانية.
ويمكن
للنظائر ذات أنصاف الأعمار القصيرة أن توجد في الطبيعة. فهي تتكون باستمرار
عن طريق
الانحلال الذي يحصل للنظير الأم الأثقل في السلاسل.
ويوجد قليل من النظائر المشعة المتناثرة التي لا تنتمي إلى السلاسل، بين
العناصر
الأخف من البزموت. من هذه العناصر عنصر البوتاسيوم ـ40، والروبيديوم ـ87،
والمسريوم
ـ146، واللوتيتيوم ـ176، والرينيوم ـ187.
النظائر المشعة صناعياً: تمكّن العلماء من إنتاج كثير من النظائر المشعة
صناعياً.
وهي ليست موجودة في الطبيعة، ولو وجدت لانحلت منذ زمن بعيد. يمكن إنتاج هذه
النظائر
صناعياً، إما في السيكلوترونات، وغيرها من الأجهزة المسرِّعة للجسيمات، أو
في
المفاعلات النووية. يمكن للعلماء ـ مثلاً ـ أن يقذفوا نظيراً من نظائر
الصوديوم
23Na بديوترونات ذات طاقة عالية في السيكلوترون. والديوترون جسيم مكون من
بروتون
ونيوترون، وإذا اصطدم بذرة صوديوم 23Na، حدث تفاعل نووي، يغدو فيه
النيوترون جزءاً
من نواة الذرة، وينطرح بروتون منتجاً 24Na. كذلك تصنع النظائر المشعة
بتعريض
العناصر في مفاعل نووي إلى عدد ضخم من النيوترونات. فذرات الصوديوم 23Na،
على سبيل
المثال تقتنص نيوترونات من المفاعل وتتحول إلى 24Na. ويؤدي انشطار (أو
انفلاق)اليورانيوم إلى نشوء أكثر من 450 نظيراً مشعاً، وأكثر من 100 نظير
ثابت
مستقر.
وقد تمكن العلماء من إنتاج نحو 1,700 نظير مشع، شملت كافة العناصر. واليوم
يوجد
للعديد من العناصر 15 نظيراً صناعياً أو أكثر.
كذلك أمكن إنتاج كل العناصر التي لا توجد في الأرض. ومن هذه العناصر
التكنيتيوم
والبروميثيوم اللذان يوجدان في بعض النجوم ـ والعناصر 93 إلى 109، وهي ما
تعرف
بعناصر ما فوق اليورانيوم.
ولهذه العناصر المشعة أنصاف أعمار قصيرة، ولهذا اختفت من الأرض بالانحلال
إلى عناصر
أخرى. وقد شذ البلوتونيوم عن ذلك، فقد وجد العلماء كميات قليلة جداً من
نظير
البلوتونيوم 244Pu في الأرض.
النظام المتري
النظام المتري: مجموعة من الوحدات
تستخدم
للقيام بأي من عمليات القياس؛ كقياس الطول أو الحرارة أو الزمن أو الوزن.
وهو نظام
لا يضاهيه من حيث البساطة أي نظام قياس استخدم حتى الآن.
تم استحداث هذا النظام على أيدي مجموعة من العلماء الفرنسيين في العقد
الأخير من
القرن الثامن عشر الميلادي، وتمت مراجعته عدة مرات. وهو يُسمى في هيئته
الحالية
رسمياً باسم النظام العالمي للوحدات. أما التسمية متري فأصلها هو وحدة قياس
الطول
الأساسية، المتر.
استخدام
النظام
المتري:
ترجع سهولة استخدام النظام المتري إلى سببين؛ فهو أولاً يتبع
النظام
العشري ـ أي أن الوحدات المترية تتزايد وتتناقص في المقدار بالعشرات. كذلك
فإن جميع
القياسات في النظام المتري مبنية على سبع وحدات أساسية، بينما يحتاج النظام
البريطاني لأكثر من عشرين وحدة، وذلك لمجرد إجراء القياسات المألوفة.
وتتطلب
القياسات للأغراض المتخصصة زيادة العديد من هذه الوحدات الأساسية.
التنظيم العشري: ولمعظم الوحدات المترية بادئات تبين علاقتها بالوحدة
الأساسية،
ولكل بادئة نفس المعنى بغض النظر عن الوحدة الأساسية. وهذا الاتساق يزيد من
سهولة
القياس على الطريقة المترية.
وتُستَخدم البادئات الإغريقية لتبيان مضاعفات أي وحدة أساسية فتجعل الوحدة
أكبر.
على سبيل المثال هكتو تعني مائة مرة وكيلو تعني ألف مرة. أما البادئات
اللاتينية
فستستخدم للدلالة على قواسم الوحدة الأساسية فتجعلها أصغر. مثلاً: سنتي
تعني 1/100
وملي تعني 1/1000 ويتضمن هذا المقال كل البادئات وعلاقاتها بالوحدة
الأساسية.
وحدات القياس المترية: تتكون قاعدة النظام المتري من سبع وحدات، ونقتصر على
أربع
منها فقط في معظم عمليات القياس التي نؤديها في حياتنا اليومية. 1 ـ المتر
وهو
الوحدة الأساسية للطول أو المسافة. 2 ـ الكيلوجرام وهو الوحدة الأساسية
لكتلة الجسم
أو وزنه على سطح الأرض. 3 ـ الثانية وهي وحدة الزمن الأساسية. 4 ـ الكلفين
وهي
الوحدة الأساسية لدرجة الحرارة. يقوم معظم الناس عند قياس درجة الحرارة
مترياً
باستخدام الدرجات المئوية. وتساوي وحدة كلفين درجة مئوية واحدة، غير أن
نقطتي
الابتداء في هذين النظامين لقياس درجة الحرارة مختلفتان.
أما الثلاث وحدات الأساسية الباقية فإنها ذات استخدامات متخصصة لدى العلماء
والمهندسين وهي: 5 ـ الأمبير، الوحدة الأساسية للقياس في الكهرباء. 6 ـ
المول وحدة
القياس الأساسية لمقدار أي مادة تدخل في تفاعل كيميائي أو غيره. 7 ـ الشمعة
القياسية وهي الوحدة الأساسية لقياس شدة الإضاءة. كذلك يضم النظام المتري
وحدتين
إضافيتين لقياس الزوايا هما الزاوية نصف القطرية (الراديان) والإستراديان
(الراديان
الفراغي). انظر: الزاوية نصف القطرية.
البادئات
المترية:
هذه البادئات يمكن إضافتها إلى معظم الوحدات المترية لزيادة أو
نقص
مقدارها، فكيلومتر مثلاً يساوي ألف متر، والبادئات سنتي، كيلو وملي هي
الأكثر
شيوعاً.
البادئة الزيادة أو النقصان في الوحدة إكسا 1,000,000,000,000,000,000
(كوينتيليون
واحد)
بيتا 1,000,000,000,000,000 (كوادريليون واحد)
تيرا 1,000,000,000,000 (تريليون واحد)
جيجا 1,000,000,000 (بليون واحد)
ميجا 1,000,000 (مليون واحد)
كيلو 1,000 (ألف واحد)
هكتو 100 (مائة واحد)
ديكا 10 (عشرة)
ديسي 0,1 (جزء من عشرة)
سنتي 0,01 (جزء من المائة)
ملي 0,001 (جزء من الألف)
مايكرو 0,000,001 (جزء من الألف)
نانو 0,000,000,001 (جزء من البليون)
بيكو 0,000,000,000,001 (جزء من التريليون)
فمتو 0,000,000,000,000,001 (جزء من الكرادريليون)
أتو 0,000,000,000,000,000,001 (جزء من الكونيتليون)
بعض التواريخ المهمة في تطور النظام المتري:
1670 م الفرنسي جابريل يقترح نظاماً عشرياً للقياس مبنياً على جزء من محيط
الأرض.
1671 م الفلكي الفرنسي جين بيكارد يقترح استخدام طول البندول الذي يتأرجح
مرة واحدة
في الثانية كمعيار لوحدة الطول.
1790 م المجلس الوطني الفرنسي يطلب من الأكاديمية الفرنسية للعلوم إنشاء
نظام
للموازين والمقاييس. سمِّي النظام الذي استحدثته الأكاديمية باسم النظام
المتري.
1795 م تبنت فرنسا النظام المتري ولكن سمحت للناس بمواصلة استخدام وحدات
أخرى.
1837 م أجازت فرنسا قانوناً يفرض على كل فرنسي البدء في استخدام النظام
المتري في 1
/ 1 / 1840 م.
1866 م أجاز الكونجرس في أمريكا استخدام النظام المتري ولكن لم يفرض
استخدامه.
1870 ـ 1875 م عُقد مؤتمر عالمي لتحديث النظام المتري ولتبني معايير قياس
جديدة
للكيلوجرام والمتر، وقد شاركت 17 دولة في المؤتمر.
1875 م تم توقيع معاهدة المتر في نهاية مؤتمر 1870 ـ 1875م وأنشأت المعاهدة
منظمة
دائمة، وهي وكالة الموازين والمقاييس، لتعديل النظام المتري حسب الحاجة.
1889 م استحدثت معايير جديدة للمتر والكيلوجرام مبنية على تلك التي تبناها
مؤتمتر
1870 ـ 1875م وأرسلت للدول التي وقعت اتفاقية المتر.
1960 م في مؤتمر عام للموازين قامت الدول التي تستخدم النظام المتري بتبني
صيغة
معدلة من النظام.
1965 م بدأت بريطانيا في التحول للنظام المتري.
1970 م بدأت أستراليا عملية تحول للنظام المتري مبرمجة على عشر سنوات.
1971 م أوصت إحدى الدراسات التي قام بها الكونجرس أن تقوم الولايات المتحدة
بالتخطيط للتحول للنظام المتري.
1975 م بدأت كندا في التحول التدريجي نحو النظام المتري.
1975 م أجاز الكونجرس الأمريكي قانون التغيير للنظام المتري والذي نادى
بالتحول
الاختياري لهذا النظام.
1983 م تم في مؤتمر عام للموازين والمقاييس تبني معيار قياسي جديد للمتر.
1988 م أجاز الكونجرس الأمريكي القانون المعروف باسم القانون الجامع
للتجارة
والتنافس وقد احتوى القانون على فقرة تطلب من كل وكالات الحكومة الفيدرالية
استخدام
النظام المتري في كل المعاملات الرسمية ابتداءً من عام 1992 م.
النظرية
الميزونية
تفسير هذه النظرية القوى الكامنة في
النواة
التي تعمل على ربط النويات والتي تساوي طاقة الترابط النووي.
فروض النظرية الميزونية:
1 ـ ميزونات باي وتشمل ميزون باي الموجب II+ وميزون باي السالب II-
والمتعادل -
وتعرف هذه الميزونات بالميزونات الثقيلة وهي المسؤولة عن ربط النويات.
2 ـ يتم الجذب بين البروتون والنيوترون بواسطة التأثير المتبادل لميزون باي
الموجب
فيتحول البروتون إلى نيوترون والنيوترون إلى بروتون.
3 ـ يتم الجذب بين النيوترون والبروتون بواسطة التأثير المتبادل لميزون باي
السالب
فيتحول النيوترون إلى بروتون والبروتون إلى نيوترون.
4 ـ يتم الجذب بين بروتونين وكذلك بين نيوترونين بواسطة التأثير المتبادل
لميزونات
باي المتعادلة.
5 ـ تبادل الميزونات يتم بسرعة عظيمة جداً وينشأ عن ذلك قوة الربط بين
النويات
ويكون - مجموعة طاقة حركة الميزونات = طاقة الترابط النووي.
انقلاب الجمهرة
Population Inversion
المادة في الحالة الطبيعية تكون
ذراتها
مستقرة وموزعة في مستويات الطاقة وفقاً لما يمثله الشكل (1) الذي يبين أن
عدد
الذرات في مستوى الطاقة الأدنى E 1 يكون أكبر من عددها في المستوى الذي
يعلوه E 2،
ويتناقص العدد تباعاً في مستويات الطاقة الأعلى E 3 ثم E 4... وإذا استثيرت
الذرة
(كما يحدث في جهاز توليد الليزر نتيجة ضخ الطاقة hv) فإن توزيع عددها في
مستويات
الطاقة يتغير نتيجة لانتقال إلكترونات من المستويات الأدنى إلى المستويات
التي
تعلوها. وعندما تنتقل إلكترونات من المستوى E 1 إلى المستوى E 2 بحيث يصبح
عدد
الذرات في المستوى E 1 أقل من عددها في المستوى E 2 (كما بالشكل (2) يقال
للذرات
إنها في حالة «تعاكس إسكاني»، ويكون هذا الوضع غير مستقر، وتحاول الذرات
بطبيعتها
أن تعود إلى الحالة المستقرة بانتقال إلكترون من المستوى E 2 إلى المستوى E
1، وكل
إلكترون يفعل ذلك يتخلى عن طاقة قدرها hv (هي الطاقة المنبعثة وقدرها (E 1 -
E 2 =
hv) (أي لها التردد نفسه للفوتون الساقط من الضخ) . وتكون حركة كل من
الفوتونين في
الاتجاه نفسه.
وعند ضخ الفوتونات ذات التردد v لكي تسقط على الذرات يحدث أحد أمور ثلاثة
(يوضحها
الشكل 3): (أ) إذا كانت طاقة الفوتون الساقط (الذي يضخّ) لا تساوي (E 2 - E
1) فإنه
يمر بين ذرات المادة دون أن يتفاعل معها (الشكل أ) . (ب) وإذا كانت طاقة
الفوتون
الساقط تساوي الفرق (E 2 - E 1) وكان عدد الذرات بالمستوى الأدنى E 1 أكبر
من عددها
بالمستوى الأعلى E 2 فإن الذرة تمتص الفوتون الساقط عليها (بانتقال الكترون
من E 1
إلى E 2 ـ الشكل ب) . (ج) وإذا كانت طاقة الفوتون الساقط تساوي الفرق (E 2 -
E 1)
وكانت الذرات في حالة تعاكس اسكاني (أي أن عددها بالمستوى E 1 أقل من عددها
بالمستوى E 2) فإن الذرات المستحثة يمكنها أن تشع الطاقة الممتصة الزائدة
(E 2 - E
1) لتعود الذرة إلى المستوى E 1 حيث تكون أكثر استقراراً (الشكل ج) . وقبل
أن تجد
الذرات فرصة للعودة إلى المستوى الأدنى للطاقة E 1 فإن الفوتونات الساقطة
تصطدم
بالذرة المستحثة والتي تعود عندئذ إلى مستوى الطاقة الأدنى، ويصحب ذلك
انبعاث فوتون
له التردد (v) نفسه. وتواصل الفوتونات الساقطة سيرتها مصحوبة بالفوتونات
المنبعثة.
وفي جهاز توليد أشعة الليزر يتزايد عدد هذه الفوتونات وتتصاعد طاقتها كلما
طالت
مسيرتها، الأمر الذي يتحقق بوجود السطحين العاكسين. وفي نهاية الأمر تتمكن
الفوتونات عالية الطاقة من اختراق السطح نصف العاكس، منطلقة إلى خارج مولد
أشعة
الليزر على شكل حزمة دقيقة من الأشعة المكثفة والمتوازية والمترابطة، هي
حزمة أشعة
الليزر.
الشكل 1
الشكل 2
الشكل 3
انكماش فتزجيرالد لورنتز
لقد أوضح ألبرت
اينشتين
* في نظريته النسبية الخاصة * أنه من أهم الأسباب التي أدت إلى العديد من
المشاكل
واللبس الذي وقع فيه العلماء في أواخل القرن التاسع عشر ترتبط بالطريقة
التي نتبعها
في قياس أطوال الأجسام وكتلها، وخاصة الأجسام التي تتحرك بالنسبة إلينا.
وكذلك عند
قياسنا للفترة الزمنية بين حدثين متتاليين. وقد أوضح أينشتين أن هناك
طريقتين
مختلفتين لقياس طول جسم من الأجسام. فعلى سبيل المثال، نفرض أن المطلوب
قياس طول
إحدى عربات قطار متحرك. في هذه الحالة يمكن إجراء هذا القياس بواسطة مشاهد
بداخل
العربة، أي مشاهد ساكن بالنسبة للعربة ويتحرك معها. ولنفرض أنه، بحسب
قياسات هذا
المشاهد، وجُد أن طول العربة (ل.) . أما إذا قام مشاهد آخر، يقف على رصيف
المحطة،
بإجراء عملية القياس لنفس العربة أثناء مرور القطار أمامه متحركاً بسرعة
منتظمة (ى)
فإنه في هذه الحالة سوف يستخدم وسائل أخرى مناسبة كي يتمكن من حساب طول
العربة،
ولنفرض أنه قدر طول العربة بالقيمة (ل) حسب قياساته هو. ومن الطبيعي أن
يختلف
التقديران. وقد وجد أينشتين باستخدام «تحويلات لورنتز» * أن العلاقة بينهما
هي:
ل= ل ؟ 1 ـ ى 2/ج 2 حيث ج هي سرعة الضوء، وحيث أن سرعة القطار ى تكون عادة
أصغر
كثيراً من سرعة الضوء ج فإن ى 2/ج 2 تكون أصغر من الواحدالصحيح. وعلى ذلك
فإن ل
تكون أصغر من ل.، أي أن تقدير المشاهد الواقف على رصيف المحطة لطول العربة
التي
تتحرك بالنسبة إليه يكون أقل من تقدير المشاهد الساكن بالنسبة للعربة لهذا
الطول.
أي أن المشاهد الذي تتحرك العربة بالنسبة إليه يخيل إليه كما لو كان طول
العربة قد
انكمش. وقد عرفت هذه النتيجة باسم «انكماش فتزجيرالد» على اسم العالم
الأيرلندي
فتزجيرالد الذي يقال إنه أول من استخدم تعبير «انكماش الطول» عام 1893 عند
محاولته
تفسير النتيجة السلبية لتجربة ميكلسون ـ مورلى *. كما يطلق على هذه الظاهرة
أيضاً
«انكماش لورنتز».
ومن المهم أن ندرك أن الانكماش هنا ليس انكماشاً فيزيائياً، ولكنه نشأ عند
المقارنة
بين طريقتين مختلفتين للقياس: في إحداهما يكون الجسم المراد تقدير طوله
متحركاً
بالنسبة للمشاهد الذي يقوم بعملية القياس، وفي الثانية يكون الجسم ساكناً
بالنسبة
للمشاهد. وبصورة أخرى نقول إنه إذا تحرك قضيب بالنسبة لمشاهد ما في اتجاه
طوله، فإن
القضيب يظهر للمشاهد كما لو كان قد انكمش. أما إذا تحرك القضيب في اتجاه
عمودي على
طوله فإنه لا يظهر أي انكماش. وقد ارتبطت هذه النتيجة بما يعرف باسم «تناقض
إرِنفست» *.
الحركة المستقيمة
Rectilinear Motion
يعبر عن المسافة
التي
يقطعها جسم متحرك في وحدة الزمن بالسرعة. وَتعرف السرعة المتوسطة: النسبة
بين
المسافة المقطوعة والزمن الذي تم فيه قطع تلك المسافة.
وتقاس السرعة بوحدة مسافة / وحدة زمن؛ أي (م/ث) أو (كم/ساعة).
وعند لحظة معينة تسمى السرعة بالسرعة اللحظية للسيارة إن السرعة التي تتغير
باستمرار زيادة كان ذلك أو نقصاناً تسمى حركة ذات تسارع. ويعرف التسارع
كالآتي:
التسارع: المعدل الزمني للتغير في السرعة.
الحركة الدائرية المنتظمة
Uniform Circular Motion
لو ربطت حجراً
بطرف خيط،
وأمسكت بيدك الطرف الآخر للخيط، ثم قمت بتحريك الحجر في مسار دائري في
مستوى، فإنك
ستلاحظ أنه:
ـ عليك أن تشد الخيط دائماً بقوة لإجبار الحجر على الاستمرار في الحركة
الدورانية.
ـ تزداد قوة الشد في الخيط بزيادة سرعة دوران الحجر.
ـ إذا أفلت الخيط، فإن الحجر سوف ينطلق باتجاه المماس للمسار الدائري الذي
كان
يسلكه لحظة الإفلات.
إن الحركة التي يتحركها الحجر المربوط بالخيط تسمى حركة دائرية منتظمة
وتعرف على
النحو الآتي:
الحركة الدائرية المنتظمة هي حركة جسم في مسار دائري بحيث يمسح زوايا
متساوية في
أزمنة متساوية.
حتى يتحرك جسم حركة دائرية منتظمة، يستلزم ذلك التأثير فيه بقوة ثابتة
المقدار،
وباتجاه متعامد مع اتجاه حركة الجسم؛ أي باتجاه مركز الدائرة التي يدور
فيها الجسم،
وحسب قانون نيوتن الثاني، فإن هذه القوة سوف تكسب الجسم تسارعاً باتجاهها؛
أي
باتجاه مركز الدائرة؛ لذلك فإن هذه القوة تسمى القوة الجابذة (المركزيّة)،
والتسارع
الناشىء عنها بالتسارع الجابذ (المركزيّ). أما بالنسبة لسرعة الجسم
الانتقالية،
فيبقى مقدارها ثابتاً، وتأخذ اتجاه المماس للمسار الدائري عند أي نقطة
عليه.
حركة الأجسام في مجال الجاذبية الأرضية في قانون نيوتن في الجذب العام:
لقد عمم نيوتن وجود هذه القوى بين جميع الأجسام في الكون مهما صغرت أو
كبرت؛ أي أن
هنالك قوة تجاذب متبادلة بين أي جسمين في الكون، فمثلاً تجذب الأرض القمر
نحو
مركزها، ويجذب القمر الأرض بالقوة نفسها نحو مركزه أيضاً، وكذلك التفاحة
التي قيل
إنها سقطت على رأس نيوتن تجذب الأرض كما تجذبها الأرض وبالقوة نفسها. وقد
افترض
نيوتن أن قوة التجاذب بين أي جسمين تتحدد بالعوامل الآتية:
أ ـ كتلة كل من الجسمين.
ب ـ المسافة بين مركزي الجسمين.
وينص قانون نيوتن في الجذب العام على أن:
تتناسب قوة الجذب المتبادلة بين أي جسمين في الكون تناسباً طردياً مع حاصل
ضرب
كتلتي الجسمين، وعكسياً مع مربع المسافة بينهما.
الحركة التذبذبية والتوافقية البسيطة
1 ـ الحركة التذبذبية Oscillatory Mtion:
الحركة التذبذبية: نمط من أنماط الحركة يتحرك فيها الجسم حول
موضع
سكونه، بحيث تكرر نفسها عدداً من المرات، في فترات زمنية متساوية.
والذبذبة الكاملة: الحركة التي يعملها الجسم المتذبذب في الفترة الزمنية
بين مروره
بنقطة معينة في مسار حركته مرتين متتاليتين.
وتسمى أكبر إزاحة للجسم المهتز من موضع سكونه اتساع الحركة التذبذبية ، كما
يسمى
الزمن اللازم لإتمام ذبابة كاملة الزمن الدوري. كما يسمى عدد الذبذبات
الكاملة التي
يتمها الجسم خلال وحدة الزمن بتردد الجسم.
التردد (ت د)= عدد الذبذبات الكاملة التي ينجزها الجسم / الزمن المستغرق في
إتمامها
ذبذبة/ث أو هيرتز.
الزمن الدوري = الزمن المستغرق في إتمام عدد معين من الذبذبات / عدد
الذبذبات
المنجزة 2 ـ الحركة التوافقية البسيطة Simple Harmonic Motion:
ومن الأمثلة على الحركة التوافقية البسيطة ما يأتي:
ـ حركة كتلة معلقة بطرف نابض (حركة أفقية أو رأسيّة).
ـ الحركة التذبذبية لفرعي شوكة رنانة.
ـ الحركة التذبذبية لوتر.
ـ الحركة التذبذبية لدقائق الوسط الناقل للموجات الميكانيكية.
ـ الحركة التذبذبية للإلكترونات في سلك يسري فيه تيار كهربائي متناوب.
وبصورة عامة تنشأ الحركة التوافقية البسيطة بفعل قوة تؤثر في الجسم،
وتتناسب طردياً
مع الإزاحة التي تحدث للجسم عن موضع سكونه، ويكون اتجاه القوة في عكس اتجاه
الإزاحة
دائماً كما في الشكل، أي أن: ق ر= ث؟س وتسمى هذه القوة بالقوة المعيدة (أو
المرجعة)
(Restoring force) لأنها تحاول إرجاع النابض لوضعه الأصلي. ومن شأن هذه
القوة أن
تحرك الجسم (جيئة وذهاباً)، كما هو الحال في الرقّاص (البندول) أو في جسم
مربوط
بنابض.
الحركة التوافقية البسيطة: الحركة التذبذبية التي تتناسب فيها القوة
المعيدة
تناسباً طردياً مع الإزاحة الحادثة للجسم المهتز وفي اتجاه معاكس لها.
تاريخ اكتشاف
الذرة
تحويلات لورنتز
لقد تعرض العالم الهولندي هـ.أ.
لورنتز *،
أثناء قيامه بإجراء بعض التطبيقات على معادلات ماكسويل الخاصة بالمجال
الكهرومغنطيسي *، تعرّض لمشكلة أساسية تتعلق بالعلاقات الرياضية بين
القياسات
الخاصة بالمكان والزمان التي يجريها كل من مشاهدَيْن يحتركان بسرعة نسبية
منتظمة
عندما يرصدان نفس الحادثة. فقد وجد لورنتز أنه لو كان لدينا مشاهدان أ، ب
مثلاً فإن
المشاهد أ يعين أية حادثة «د» تقع تحت إدراكه بأربع كميات: (س، ص، ع) مثلاً
لتعيين
مكانها بالنسبة لمجموعة متعامدة من المحاور (م س، م ص، مع) . ثم يعين زمان
حدوث
الحادثة وليكن ن. وبذلك تتعين الحادثة تماماً حسب قياسات المشاهد أ على
الصورة:
د[(سَ، صَ، عَ)، ن]كذلك المشاهد الآخر ب عندما يرصد أية حادثة «دَ» تقع تحت
إدراكه،
فإنه يعينها هو الآخر بأربع كميات خاصة به هو: (سَ، صَ، عَ) بالنسبة
لمجموعة من
المحاور المتعامدة (مَ سَ، مَ صَ، مَ عَ) لتعيين مكانها، نَ لتعيين لحظة
حدوثها. أي
أن دَ[(سَ، صَ، عَ)، نَ]والمشكلة تنشأ عندما يرصد المشاهدان أ، ب نفس
الحادثة، أي
عندما د = دَ، وكان المشاهد ب مثلاً يتحرك بسرعة منتظمة ى بالنسبة للمشاهد
أ.
والسؤال المطروح في هذه الحالة: ما هي العلاقات التي تربط الكميات الأربع
التي تعين
الحادثة د بالكميات الأربع التي تعين الحادثة دَ؟ بمعنى أنه لو عرفت إحدى
المجموعتين فإنه يمكن تعيين المجموعة الأخرى. ولتيسير الإجابة نفرض أنه عند
بدء
الزمن، أي عندما ن = نَ= صفر كان المشاهدان معا وكانت محاورهما متطابقة.
ولنفرض أن
سرعتهما النسبية ى في اتجاه م س. في هذه الحالة تكون العلاقات المطلوبة،
حسب قواعد
الميكانيكا
النيوتونية
هي:
سَ = س ـ ى ن، صَ = ص، عَ = ع، نَ = ن إلا أن لورنتز عندما تصدى
لهذه
المشكلة عام 1896 رفض استخدام هذه العلاقات على الصورة السابقة، إذ أنها لا
تؤدى
إلى محافظة معادلات ماكسويل على صورتها عند تحويلها بموجب هذه العلاقات من
مجموعة
المشاهد ب إلى مجموعة المشاهد أ. وقد تمكن لورنتز من استنباط الصورة التي
يجب أن
تكون عليها هذه العلاقات كي تحافظ على صورة معادلات ماكسويل، ووجد أنها سَ =
B (س ـ
ى ن)، صَ = ص، عَ = ع، نَ = B (ن ـ ى/ج 2 س)
حيث B = 1/؟ 1 ـ ى 2/ج 2، ج هي سرعة الضوء وسميت هذه العلاقات باسم
«تحويلات
لورنتز»، كما سميت المجموعة الأولى باسم «تحويلات جاليليو». ويلاحظ أن
تحويلات
لورنتز تؤول إلى تحويلات جاليليو عندما تكون السرعة النسبية للمشاهدين ى
صغيرة
بالنسبة لسرعة الضوء ج بحيث يمكن إهمال الكمية ى 2/ج 2. وقد تمكن أينشتين
عام 1905
من اشتقاق تحويلات لورنتز مستنداً فقط على الفرضين الأساسيين للنسبية
الخاصة *.
تغير الكتلة مع السرعة
في ميكانيكا النسبية الخاصة *. ثبت
أن كتلة
الجسم المتحرك تتغير تبعا لسرعته فتزداد بازدياد تلك السرعة. وبصورة أدق،
إذا تحرك
جسم بسرعة منتظمة ع بالنسبة لمشاهد ما، فإن كتلة الجسم ك بالنسبة لهذا
المشاهد تحقق
العلاقة:
ك = ك/1 ـ ع 2/ج 2 حيث ج هي سرعة الضوء.
ومن هذه العلاقة يتضح أن ك = ك. عندما ع = صفر. أي أن ك. هي كتلة الجسم
عندما يكون
ساكناً بالنسبة للمشاهد ويطلق عليها اسم «الكتلة الفعلية للجسم» * (proper
mass)،
كما تسمى أيضاً «بكتلة السكون» * (rest mass) .
ومن أهم نتائج هذه العلاقة والتي لم تكن معروفة في الميكانيكا النيوتونية
*، أنه
أمكن إيجاد علاقة مباشرة بين الكتلة والطاقة لجسم متحرك[انظر: العلاقة بين
الكتلة
والطاقة].
وقد ارتبط بهذه العلاقة مفهوم خاطىء وهو أنه عندما تزداد سرعة الجسم ع بحيث
تصبح
مساوية لسرعة الضوء أي عندما ع = ج فإن كتلة الجسم ك تصبح لا نهائية في
الكبر. وهذا
الاستنتاج غير صحيح إذ أنه في حالة «الفوتون» * وهو الجسم الذي يتحرك بسرعة
الضوء
تكون سرعة السكون ك. مساوية للصفر. وحسب العلاقة السابقة تصبح كتلة الفوتون
ك =
صفر/صفر، وهذه كمية غير معينة رياضياً.
تناقض الساعة
بعد ظهور النظرية النسبية الخاصة *
التي
وضعها إلبرت أينشتين عام 1905 ظهرت عدة تناقضات ظاهرية فيما يتعلق بنتائج
هذه
النظرية. ومن أهم هذه التناقضات تناقض إرنست *، وتناقض الساعة. والغريب أن
أينشتين
نفسه هو أول من كتب عن التناقض الأخير عام 1905 م، ثم عاد وكتب عنه ثانية
عام 1911،
ولم يقم بأية محاولة لتفسير ما يشوبه من لبس أو غموض.
ويتلخص هذا التناقض في أننا لو عتبرنا مشاهدين أ، ب يجلسان معاً وكل منهما
معه ساعة
لتحديد الوقت، والساعتان متطابقتان تماماً. ثم تحرك أحدهما وليكن ب بسرعة
منتظمة
مبتعداً عن زميله، الذي ظل ساكناً، في رحلة طويلة ثم ارتد عائداً إلى زميله
أ.
وبحسب ظاهرة اتساع الفترات الزمنية * في النسبية الخاصة فإن تقدير المشاهد أ
لزمن
الرحلة يكون أكبر من تقدير ب له. إذ أن المشاهد أ يخيل إليه أن الساعة التي
يحملها
زميله ب المتحرك بالنسبة إليه تؤخر. وحيث أن المسألة في الحركة النسبية
متماثلة
تماماً. أي أنه يمكن اعتبار أن المشاهد أ هو الذي تحرك في الاتجاه المضاد
لحركة ب،
بينما ترك زميله ساكناً. وحيث أن أ يحمل الآن الساعة المتحركة والتي تظهر
للمشاهد ب
كما لو كانت تؤخر. فإنه في هذه الحالة يكون تقدير ب لزمن الرحلة أكبر من
تقدير أ
لها، وبذلك يكون هناك تناقض بين النتيجتين. وقد ثبت بعد ذلك أن هذا التناقض
ظاهري،
إذ أنه لكي يرتد أي من المشاهدين عائداً لزميله فيجب أن يقف أولاً ثم يرتد
بنفس
السرعة، وهذا يقتضى تأثير قوة خارجية لتوقف الجسم ثم بعد ذلك تكسبه سرعة
مساوية في
الاتجاه المضاد. وهذا لا يدخل في نطاق النسبية الخاصة لأنها قاصرة على حركة
المشاهدين بسرعة منتظمة وبدون عجلة. وذلك يدخل في نطاق النظرية النسبية
العامة *.
وقد تم حل هذه المسألة حلا كاملاً في نطاق النسبية العامة عام (1952) .
تواريخ مهمة في
الفيزياء
القرن الرابع قبل الميلادقدم أرسطو
نظريات
في مجالات عديدة من الفيزياء
القرن الثالث قبل الميلاداكتسف أرخميدس قانون العتلة وقوانين تتعلق بسلوك
السوائل
القرن الثاني الميلاديتصور بطليموس أن الأرض ساكنة تدور حولها النجوم
والكواكب
والشمس والقمر
1017 م اخترع البيروني أول جهاز لقياس كثافة
المواد
1020 م وضع العالم العربي ابن الهيثم أساس علم
البصريات
في عدة كتب فيزيائية مهمة مثل كتاب المناظر الذي درس فيه الضوء وانكساراته
وطبيعة
الإبصار وتشريح العين
1135 م أجرى الخازن أولى التجارب لإيجاد
العلاقة
بين وزن الهواء وكثافته
1270 م أجرى روجر بيكون دراسات في البصريات
1543 م نشر نيكولاس كوبرنيكوس نظريته بأن الأرض
والكواكب
تتحرك في مدارات دائرية حول الشمس
1600 م اكتشف جاليليو قوانين مهمة في حقول
فيزيائية
كثيرة, بصفة خاصة في الميكانيكا
1687 م نشر نيوتن قوانينه للحركة
1690 م نشر كريستيان هايجنز نظرية موجية الضوء
1798 م ذكر بنيامين طومسون وكاونت رمفورد أن
حركة
الجسيمات خلال مادة تنتج حرارة
1801 م - 1803مأحيا توماس يونج النظرية الموجية للضوء
1803 م أعلن جون دالتون لأول مرة نظريته الذرية
عن تركيب
المادة
القرن التاسع عشر الميلاديأنتج مايكل فارادي وجوزيف هنريكل على حده
الكهرباء من
المغتطيسية
1847 م اكتشف جيمس جول أن الحرارة والطاقة يمكن
أن يتحول
كل منهما للآخر بمعدل ثابت
1864 م نشر جيمس كلارك ماكسويل نظريته
الكهرومغنطيسية
للضوء
1887 م أثبتت تجربة مايكلسون ومورليعدم وجود
الأثير
1895 م اكتشف ويلهلم ك. رونتجن الأشعة السينية
1896 م اكتشف أنطوان هنري بكويريل الإشعاع
الطبيعي
1898 م استخلصت ماري كوري وزوجها بييرعنصر
الراديوم
المشع
1900 م نشر ماكس بلانك نظريته الكمية
1905 م نشرأينشتاين نظريته النسبية الخاصة
مزلزلاً أركان
التصور النيوتوني للكون
1911 - 1913 م اقترح إرنست رذرفورد ونيلز
بورنماذج على
شكل نظام كوكبي للذرة
1915 م أعلن أينشتاين نظريته النسبية العامة
1924 م قدم لوي دي بروغلي النظرية الموجبة
للإلكترون
1925م - 1926مطور كل من إيرفين شرودينجر وفرنر هيسينبرج, كل على حده, نظماً
لتنسيق
الفيزياء الكمية.
1930 م تنبأ بول ديراكب وجود البوزيترون وهو
إلكترون
موجب الشحنة
1931 م أنشأ السير جون كوكروفت وأرنست والتنأول
معجل
جسيمات
1932 م اكتشف جايمس شادويك وجود جسيمات متعادلة
في نواة
الذرة، أطلق عليها فيما بعد النيوترونات
1938 م تمكن أوتو هان وفرتز ستراسمانمن شطر ذرة
اليورانيوم
1942 م حقق إنريكو فيرمي وزملاؤه أول تفاعل نووي
متحكم
فيه
1945 م أول تفجير لقنبلة ذرية في نيومكسيكو،
تبعه إلقاء
قنبلتين في نفس السنة على اليابان
1947 م اخترع جون باردين ووالتر. براتين وويليام
شوكلي
الترانزستور
1960م صنع ثيودور ميمان أول ليزر
1964 م اقتراح موري جل - مان وجورج زفايجوجود
جسيمات
الكوارك جسيمات أساسية
1974 م اكتشف بيرتون ريختر وصمويل. سي. سي.تنج
نوعاً من
الجسيمات تحت الذرية سمي بجسيم إبساي أو جسيم جي
1983 م اكتشف باحثون تحت قيادة كارلو روبيا
ثلاثة جسيمات
تحت ذرية, هي جسيمات +w و -w و z?
1995 م إكتشف العلماء في مختبر فرمي الجسيم تحت
الذري
الكوارك فوقي
2000 م إكتشف العلماء في مختبر فرمي جسيماً تحت
ذري سمي
تاو نيوترينو
حوادث المفاعلات
النووية
حتى 21 ديسمبر 1990 كان هناك 423
مفاعلاً
نوويا تعمل في 24 بلداً على نطاق العالم. منها 112 مفاعلاً في الولايات
المتحدة.
وتقع «الحوادث الروتينية» التي يشار إليها بالأحداث غير العادية من وقت
لآخر أثناء
تشغيل هذه المفاعلات. وقد صنفت الوكالة الدولية للطاقة الذرية هذه «الأحداث
غير
العادية» على أنها أحداث لا تتعلق بالسلامة (بمتوسط تكرار 5ر0 إلى
حدث/أسبوع/مفاعل)، وأحداث متعلقة بالسلامة (5ر0 حدث/شهر/مفاعل)، وأحداث ذات
إضرار
بالسلامة (5ر0 إلى 1 حدث/سنة/مفاعل) وخلال الفترة من 1970 ـ 1990 أدى كثير
من
اوحداث غير العادية إلى إغلاق المفاعلات. فعلى سبيل المثال كان هناك 195
حادثاً في
الولايات المتحدة في الفترة ما بين مايو وسبتمبر 1984 فقط. وبصفة عامة لم
تسفر
حالات الاغلاق هذه وأمثالها عن انطلاق إشعاعات في البيئة مع أن قليلاً منها
أدى إلى
تلوث بعض العاملين أو المناطق المحصورة حول المعامل.
وبالرغم من الاجراءات والاحتياطات المعقدة التي تتخذ لمنع وقوع حادث كبير،
وقعت عدة
حوادث، كان أهمها حادث ثرى مايل أيلاند بالولايات المتحدة عام 1979، وحادث
تشيرنوبيل باتحاد دول الكومنولث عام 1986 (انظر: مفاعل نووى) .
حادث ثرى مايل أيلاند: في الصباح الباكر من يوم 28 آذار/مارس 1979 أصيب
المفاعل
المبرد بالماء المضغوط الذي تصل قدرته إلى 880 ميجاواط في Three Mile
Island Unit
2، الذي كان يعمل بكامل طاقته تقريباً، بتوقف التغذية العادية بالمياه مما
أدى إلى
تعطل التوربين ومن بعده توقّف المفاعل. وتبعاً لذلك حدثت سلسلة من الأحداث
أدت
نتيجتها إلى ضرر شديد في قلب المفاعل. ووصلت درجات الحرارة محلياً في قلب
المفاعل
إلى حد ذوبان الوقود.
وقد انطلقت في البيئة مواد انشطارية إشعاعية، تضمنت بشكل رئيسي، الغازات
الخاملة
(زينون ـ 133 وزينون ـ 135) ومقادير ضئيلة من اليود ـ 131. لم يقتل أحد
نتيجة
الحادث، ولم يكن هناك أثر ملحوظ للإشعاع على صحة الجمهور. وأدى الحادث إلى
إجلاء
نحو 22000 شخص من المناطق المحيطة بالموقع.
كارثة تشيرنوبيل: تقع محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية، على بعد 130 كم شمال
كييف،
باتحاد دول الكومنولث،. وفي 26 أبريل 1986 في الساعة 1 و23 دقيقة صباحاً
وقع انفجار
في الوحدة رقم 4 بها ونتيجة للحادث حصل تفتت في الوقود، وانفجارات بخارية
وهدروجينية، وارتفعت درجة حرارة المفاعل المحترق إلى عدة آلاف درجة مئوية
مؤدياً
إلى انصهار قلب المفاعل وانطلاق الإشعاعات من عناصر الوقود المدمرة خلال
فترة 10
أيام.
وأدى الحادث إلى انطلاق كميات ضخمة من النويدات المشعة في الغلاف الجوى.
وكان من
بين هذه النويدات المهمة من الناحية الطبية الحيوية: سترنشيوم ـ 90 واليود ـ
131
والسيزيوم ـ 137.
وانتقلت المواد المشعة المنبعثة من تشيرنوبيل إلى مسافات بعيدة ووصلت إلى
أماكن
تبعد آلاف الكيلومترات عن مصدرها. فقد عبرت الحدود إلى بولندا وجنوب فنلندا
السويد
والنرويج. وإلى ألمانيا، واليونان وعبر الجمهوريات السوفياتية (سابقا)
والبلدان
الاسكندنافية والمملكة المتحدة.
تركز الاهتمام في بداية الأمر على اليود ـ 131 الذي تأكله الأبقار خلال
رعيها ويظهر
في ألبانها. كما تلوثت الخضر الورقية والفواكه المزروعة في الخارج مما أدى
إلى
التخلص منها. وقد اتخذت تدابير خاصة في اسكندنافيا والمملكة المتحدة للحد
من نقل
المواشي وذبحها.
ومع أن مجموع الوفيات نتيجة للحادث كان 31 شخصاً في البداية، فقد أعلنت
حكومة اتحاد
الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية (سابقاً) أن جملة الوفيات تراوحت بين 250
و300
شخص بعد أربع سنوات من الحادث. وتوضح البيانات الطبية عن الفتترة 1986 ـ
1990، في
منطقة المراقبة الدقيقة حول تشيرنوبيل، ارتفاعاً بنسبة 50 في المائة في
متوسط تكرار
الإصابة بأمراض الغدة الدرقية والأورام الخبيثة ونمو الأنسجة (وازداد سرطان
الدم
بنسبة 50 في المائة)، بالإضافة إلى زيادة خطيرة في حالات الإجهاض وولادة
أطفال
بتشوهات جينية.
خواص الدقائق الأساسية في الذرة
| الجسيم | الكتلة.جرام | الكتلة.وك ذ | الشحنة النسبية | الشحنة الفعلية.كولوم |
| الإلكترون | 9.109×10-28 | 0.00055 | -1 | -1.6×10-19 |
| البروتون | 1.673×10-24 | 1.00728 | +1 | +1.6×10-19 |
| النيوترون | 1.675×10-24 | 1.00867 | صفر | - |
طاقة الترابط النووي
هي الطاقة المساوية لمقدار الشغل
اللازم
إعطاؤه للنواة لتبتعد نوياتها بعضها عن بعض تماماً، وهي تكافىء النقص في
كتلة نويات
النواة.
حسابها: طاقة الترابط النووي = (مجموع كتل نويات النواة ـ كتلة النواة
الفعلية) ×
931,44 م.أ.ف كسر الترابط:
هو طاقة الربط للنوية الواحدة بالنواة.
كسر الترابط = طاقة الترابط النووي/رقم الكتلة منحنى كسر الترابط:
هو منحنى بياني يوضح العلاقة بين كسر ترابط نوى ذرات العناصر ورقم كتلتها.
ملاحظات:
1 ـ يمكن إيجاد كسر الترابط لنواة أي عنصر بمعلومية رقم كتلته
وطاقة
ترابطه النووي.
2 ـ أثبت النوى الخفيفة هي نواة الهيليوم ولهذا فإن أكثر النوى الخفيفة
استقراراً
هي التي لها رقم كتلة مضاعف لرقم 4 لأن النوى المستقرة تميل نوياتها لتكوين
مجاميع
من دقائق ألفا داخلها.
3 ـ النوى الخفيفة تكون مستقرة إذا احتوت على أعداد متساوية من البروتونات
والنيوترونات حتى رقم كتله (40) . فمثلاً الأكسجين أ فيها عدد البروتونات =
عدد
النيوترونات ولذا فهي من النوى الخفيفة المستقرة.
4 ـ النوى التي لها رقم كتلة أكبر من (40) لضمان استقرارها فإنها تميل
لزيادة عدد
نيوتروناتها قليلاً عن عدد البروتونات للمساعدة هي تقليل قوة التنافر داخل
النواة.
طاقة التفاعل
النووي
هي الطاقة المكافئة للفرق بين مجموع
كتل
النوى الداخلة في التفاعل النووي والناتجة منه.
أ + ب = ح + ء = ط ويكون التفاعل ماصاً للطاقة إذا كان مجموع كتل النوى
الناتجة
أكبر من مجموع كتل النوى الداخلة في التفاعل.
ويكون مولداً للطاقة إذا كان مجموع كتل النوى الناتجة أقل من مجموع كتل
النوى
الداخلة في التفاعل.
والتفاعلات المولدة للطاقة تشمل الانشطار النووي والاندماج النووي.
طاقة الليزر
استعمل الليزر في سلسلة مدهشة من
أوجه
الاستعمال خلال حياته القصيرة: من إحداث ثقوب في الماس إلى إجراء عمليات
دقيقة في
العين، ومن قياس الفضاء بين القمر والأرض إلى كشف أصغر الحركات. ولا يبدو
مستقبله
أقل روعة، بما يبشرنا به من تلفيزيون ذي ثلاثة أبعاد وقوة نووية زهيدة
الثمن. من
الواضح إذن أن الليزر ليس مصدراً عادياً للضوء.
ما هو الليزر
الليزر النبضي هو، في الأساس، جهاز
لخزن
الطاقة ثم لاطلاقها دفعة واحدة وأحداث حزمة كثيفة جداً من الضوء. قلب
الليزر بلورة
أو أنبوب غاز أو سائل تضخ فيه الطاقة (1) . يتم ذلك عادة باحاطته بجهاز
ينتج وميضاً
قوياً من الضوء أو حزمة كثيفة من الموجات الاشعاعية أو الالكترونات.
أول ليزر نبضي أخترعه ثيودور هـ. ميمان عام 1960 وكان يحتوي على بلورة من
ياقوت،
ويحدث وميضاً قصيراً من الضوء الأحمر. أما اليوم، فالليزرات ذات الموجة
المتواصلة
تحدث حزماً متواصلة من الأضواء ذات الوان عدة، ومنها ما يطلق أشعة تحت
الحمراء أو
فوق البنفسجية.
نشاطات
الفوتونات
يحث الذرات لاطلاق فوتوناتها وصول
فوتونات
أخرى، فينتج عن ذلك اشعاع ضوئ
المدير العام- عضو ممتاز
-
.....
الباحث عن الحقيقة
.....
****************************
---------------------------------------
----------------------------------------
عدد الرسائل : 4202
العمر : 65
العمل : باحث وكاتب في العلوم ومقارنة الآديان
تاريخ التسجيل : 13/08/2008 -
رد: موسوعة الفيزياء
من طرف المدير العام الجمعة يونيو 04, 2010 4:40 pm
قوانين كبلر
Kepler Laws
يقول نيوتن: إن
أعماله
وإنجازاته قامت على أكتاف علماء آخرين مثل: تيخو براهي (Thycho Brahe)
ويوهانز كبلر
(Johannes Kepler) وكانت هذه الأعمال هي الأساس في تحليل نيوتن لحركة
الكواكب. وقد
وجد تيخو وكبلر أن أعمالها متممة لبعضها بعضاً؛ إذ وجد كبلر أنه بحاجة ماسة
لمعطيات
تيخو الدقيقة؛ وبالمقابل وجد يتخو أن تحليلات كبلر الرياضية أساسية لعمله،
فاستمرت
هذه العلاقة بين العالميْن حتى وفاة تيخو. وقام كبلر باستخدام أوراق تيخو
وبحوثه
التي حصل عليها من مجلس الوصاية. وبسبب ذلك توصل إلى أن مدارات الكواكب حول
الشمس
لا تكون دائرية بل إهليجليّة (قطوع ناقصة). وتمكن من وضع ثلاثة قوانين
للحركة
الكوكبية.
لقد توصل كبلر إلى أن الكواكب تدور حول الشمس في مدارات إهلجيلجيَّة،
والشمس في
إحدى بؤرتي القطع الناقص. وهذا هو القانون الأول لكبلر.
كذلك لاحظ كبلر أن سرعة الكوكب تكون كبيرة كلما كان الكوكب قريباً من
الشمس، وتكون
صغيرة كلما كان الكوكب بعيداً عن الشمس.
لاستمرار كبلر في بحوثه المتعلقة بحركة الكواكب، توصل بعد مرور عشر سنوات
تقريباً
إلى أن مربع الزمن الدوري للكوكب يتناسب طردياً مع مكعب متوسط بعده عن
الشمس. وهذا
هو القانون الثالث لكبلر.
قوانين نيوتن في الحركة
تتحرك الأجسام
من حولنا
بأنماط حركية مختلفة، فأنت تشاهد سيارة تبدأ حركتها من السكون، وتشاهدها
عندما تدور
في منعطف أو تتوقف؛ كما أنك تشاهد جسماً مقذوفاً إلى الأعلى فكيف يتحرك في
أثناء
صعوده وسقوطه؟ وطائرة تطير في الهواء، أو سمكة تسبح في الماء؛ فكيف تتحرك
هذه
الأجسام؟ وما الذي يحركها؟ هل تتحرك من تلقاء نفسها أم هنالك مؤثرات خارجية
تجعلها
تتحرك؟ وما العلاقة بين هذه القوى المؤثرة وطبيعة الحركة الناتجة؟ وما
القوانين
التي تضبط حركة هذه الأجسام؟ هذه الأسئلة وأخرى كثيرة يمكنك الإجابة عنها
بعد دراسة
قوانين نيوتن في الحركة، هذا مع الانتساب للأهمية الكبرى والدور المهم الذي
تمثله
بالنسبة لعلم الميكانيكا، واتساع تطبيقها.
قانون نيوتن الأول في الحركة (قانون القصور)
إن الأجسام
الساكنة تبقى
كذلك ما لم تؤثر فيها قوة خارجية. وهذا ينطبق على الأجسام المتحركة، لأنه
إذا كانت
الأجسام الساكنة قاصرة عن تغيير حالة سكونها بنفسها، فإن الأجسام المتحركة
قاصرة عن
تغيير حالتها الحركية بنفسها أيضاً.
إن هذه الصفة في الأجسام التي تجعلها غير قادرة على تغيير حالتها الحركية،
هي خاصية
طبيعية تسمى خاصية القصور (Inertia). وقد أطلق هذا الأسم أصلاً (غاليلو)؛
ثم أصبح
مرادفاً لقانون نيوتن الأول. والقصور لغة تعني العجز؛ أما فيزيائياً فيعني
عدم قدرة
الجسم على تغيير حالته الحركية مقداراً أو اتجاهاً أو كليهما.
إن الأهمية الكبرى لقانون نيوتن الأول في الحركة تكمن في استخدامه لتعريف
القوة.
فإذا انعدمت القوة المؤثرة في جسم ما فإن ذلك يؤدي إلى ثبات الحالة
الحركية، في حين
أن وجود القوة يؤدي إلى تغيير الحالة الحركية. وعلى ذلك فالقوة كل مؤثر
خارجي يغيّر
أو يحاول التغيير من حالة الجسم الحركية مقداراً أو اتجاهاً، أو كليهما
معاً.
قانون نيوتن الثاني في الحركة
إذا أثرت قوة
محصلة في
جسم أكسبته تسارعاً، يتناسب مقداره تناسباً طردياً مع مقدار القوة المحصلة،
ويكون
اتجاهه في اتجاه القوة المحصلة نفسها وَيمكن تمثيل هذا القانون رياضياً
باستخدام
العلاقة التالية:
ق م = ك ت.
حيث
ق م = محصلة القوة المؤثرة في جسم
ك = كتلة الجسم
ت = التسارع الذي هو معدل التغير في السرعة بالنسبة إلى الزمن.
ويكون التسارعُ موجباً (بالنسبة لاتجاه حركة الجسم)، إذا كانت القوة
المحصلة باتجاه
الحركة فيؤدي إلى زيادة سرعته؛ ويكون سالباً إذا كان اتجاه القوة المحصلة
بعكس
اتجاه حركة الجسم، تتناقص سرعة الجسم إلى أن يتوقف في النهاية. أي أنه إذا
كانت
إشارة (ت) مثل إشارة (ع) فالتسارع موجب. وإلا يكون سالباً.
وَإذا كانت القوة المحصلة صفراً، فإن التسارع الذي يكتسبه الجسم = صفراً،
وهذا هو
قانون نيوتن الأول. وعلى ذلك فإن القانون نيوتن الأول يمكن اعتباره حالة
خاصة من
قانون نيوتن الثاني؛ أو أن القانونين يمكن اعتبارهما قانوناً واحداً هو
قانون نيوتن
في الحركة.
ومن قانون نيوتن الثاني يمكن أن نجد طريقة مناسبة لقياس محصلة القوى
المؤثرة في جسم
معروف الكتلة بحساب تسارعه.
تقاس القوة بوحدة النيوتن، عندما تقاس الكتلة بوحدة (كغ)، والتسارع بوحدة
(م/ث2).
ويعرف النيوتن بأنه القوة التي إذا أثرت في جسم كتلته (1) كغ، أكسبته
تسارعاً
باتجاهها مقداره (1) م/ث2.
قانون نيوتن الثالث في الحركة
إن التأثير بقوة
في جسم
يتطلب تفاعلاً (أي تأثيراً متبادلاً) بين هذا الجسم وجسم آخر. فإذا دفعت
جسماً حدث
تفاعل بين يدك وذلك الجسم؛ وإذا تعلقت بحبل فهنالك تفاعل بينك وبين الحبل
ينشأ عنه
قوة تؤثر فيك، وقوة أخرى تؤثر في الحبل.
لكل فعل رد فعل، مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه.
إن قوى الجذب المتبادلة سواء بين الأجرام السماوية، أو الجسيمات الأولية هي
أيضاً
تطبيق لقانون نيوتن الثالث؛ والشمس تجذب الأرض بقوة تجبرها على الدوران
حولها،
وكذلك النواة تجذب الالكترون وهكذا.
ما
وَرَاء الذَّرة
احدى الخصائص
التي يتميز
بها العلم هي السعي لتفسير مجموعة من الظاهرات المختلفة انطلاقاً من عدد
قليل من
المفاهيم الاساسية. نظرية جون دالتون (1766 ـ 1844) الذرية هي مثل بارز على
ذلك، إذ
انها تعتبر أن مواد مختلفة عدة هي مكوّنة جميعها من بعض أنواع الذرة، وان
الذرات هي
مواد البناء الاساسية لكل ما هو مادي في العالم. في أواخر القرن التاسع عشر
واوائل
القرن العشرين، تضافرت الدلائل على أن للذرات نفسها بنية داخلية. وبحلول
عام 1932،
كان العلماء قد تحققوا من أن الذرات هي تجمّعات لجسيمات أصغر منها:
البروتونات
والنيوترونات (التي تؤلف معا نواة صغيرة مشحونة ايجابا) مع إلكترونات تدور
حولها
وهي ذات شحنة سالبة.
التفاعلات بين الجسيمات
لا يكفي، لاعطاء
وصف
كامل للمادة، تعيين مقوّماتها، بل من الضروري أيضاً وصف الطريقة التي
تتماسك بها
هذه المقوّمات، أي لا بد من وصف الطريقة التي بها تتفاعل هذه فيما بينها.
يمكن
تمييز أربعة أنواع من التفاعلات: اثنان منها معروفان تماماً، إذ يظهران
بسهولة في
العناصر المادية العادية. فهناك التفاعل التجاذبي (6) الذي يُحدِث بين
الأجسام
تجاذباً يتوقف على كتلها، لكن تأثيره ضئيل جداً في تركيب بنية الذرّة ولا
يقوم بأي
دور في ترابط اجزائها، لكنه مسؤول عن القوّة التي تتجاذب الاجرام السماوية؛
اما
التفاعل الكهرطيسي (7) بين الجسيمات المشحونة كهربائياً، فقوته تفوق
بملايين
الاضعاف التفاعل التجاذبي، وهي مسؤولة عن التجاذب بين نواة الذرة
والكتروناتها
المدارية. فضلاً عن ذلك، ثمّة تفاعلات مختلفة تماماً تحدث داخل النواة
نفسها. هنا
تتماسك البروتونات والنيوترونات بشدة رغم التنافر الكهرطيسي بينها. هذا
«التفاعل
الشديد» لا علاقة له بالشحنة ولا يتأثر بها، لأنه يعمل بين النيوترونات،
كما يعمل
بين البروتونات، وهو أقوى من التفاعل الكهرطيسي بحوالي 7000 ضعف.
النوع الرابع، المعروف «بالتفاعل الضعيف»، تساوي قوّته حوالي جزء من ألف من
قوة
التفاعل الكهرطيسي. وهو يظهر في بعض العمليات التي تحدث فيها تحولات لبعض
الجسيمات
كما في انحلال بيتا الاشعاعي.
مجالات القوة
تحدث الأنواع
الأربعة من
التفاعلات في الفضاء الحر. تستعمل احدى النظريات لشرح هذا «التأثير من
بعيد»، فكرة
مجال القوة، القائلة أن الجسيم المشحون يؤثر في الفضاء المحيط به، بحيث إذا
وضع
جسيم مشحون آخر في هذا الفضاء عينه، فانه يتأثر بدوره بذلك التأثير. تسمّى
منطقة
التأثير هذه مجالاً كهرطيسياً.
هنالك نموذج تفسير مختلف يعتمد على الميكانيكا الكمية مستعيناً بفكرة تبادل
جسيمات
مفترضة. فكما يتفاعل جسيمان مشحونان ببثّ الفوتونات (جسيمات الضوء)
وامتصاصها، كذلك
يفسَّر التفاعل التجاذبي بتبادل جسيمات مفترضة تسمّى غرافيتونات. في عام
1935 رأى
هيديكي يوكاوا (
أن التفاعلات القوية، التي تبقي النواة متماسكة، متأتّيةعن
تبادل جسيم وكتلة يتمّ بين الالكترون والبروتون. هذا الجسيم معروف الآن
باسم باي
ميزون (أو بيون) .
جسيمات اساسية أخرى
حتى عام 1932،
كان يظن
انه يمكن، بثلاثة جسيمات فقط، تفسير البنية الذرية. لكن منذ ذلك الحين،
تعقدت
الأمور باكتشاف جسيمات عديدة اضافية بفضل دراسة الأشعة الكونية وتجارب
استخدمت فيها
مسارعات الجسيمات (1، 9) . فقد تبين أن الاصطدامات المرتفعة الطاقة تؤدي
إلى توليد
جسيمات جديدة عرف منها حتى الآن ما يربو على 200، وأكثرها غير مستقرة (2) .
تصنف هذه الجسيمات تحت الذريّة العديدة في مجموعات: فالجسيمات التي تشترك
في
التفاعلات الشديدة تسمى هادرونات (ومنها النيوترون والبروتون والهيبرون
والميزون)،
والجسيمات التي لا تشترك في التفاعلات الشديدة تسمّى لبتونات (ومنها
الالكترون
والنيوترينو) . لا تزال المشكلة التوصل إلى نظريّة موحّدة تفسر وجود هذه
الكثرة من
الجسيمات وتصرفاتها.
مجموعات الجسيمات
وزع علماء
الفيزياء
الجسيمات تحت الذرية إلى ثلاث مجموعات أساسية هي:
وهذه المجموعات الثلاثة هي الجسيمات الأولية, بمعنى أنها لاتبدو مكونة من
وحدات
أصغر, وأحجامها أدق بكثير من أن يتم قياسها حالياً. فالجسيمات الأولية أدق
بمقدار
100 مليون مرة من الذرة.
اللبتونات
اكتشف علماء الفيزياء ستة أنواع من
اللبتونات, وهي الإلكترونات, والميونات, والتاوات, إضافة إلى ثلاثة أنواع
من
اليوترينوات التي ليس لها شحنة كهربائية. أما بقية اللبتونات فلها شحنة
سالبة.
الكواركات
لا تشبه الكواركات اللبتونات؛ فهي
لا توجد
بمفردها في الطبيعة, إنما تتحد دائماً لتكون الجسيمات المعروفة باسم
الهدرونات.
والهدرونات الثابتة الوحيدة هي البترونات والنيوترونات التي تتكون من
مجموعات متحدة
من نوعين من الكواركات هي الكواركات الفوقية والكواركات التحتية. وتحمل كل
واحدة من
هذه الكواركات شحنة كهربائية تساوي ثلث أو ثلثي شحنة الإلكترون. وقد تعرف
علماء
الفيزياء أيضاً على كواركات غير ثابتة؛ منها الجسيمات الغربية, والمسحورة,
والقاعدية, وقد تتحد الكواركات لتكون مايربو على 300 نوع من الهدرونات.
البوزونات
تقوم البوزونات بنقل القوى بين
الجسيمات.
وتشمل الأنواع المعروفة من البوزونات الفوتونات, والقلونات, والويكونات, أو
البوزونات الضعيفة. وتحمل الفوتونات - التي هي في الأصل جسيمات من الضوء -
القوة
الكهربائية التي تحفظ الإلكترونات داخل الذرة. ويمكن للويكونات أن تغير أي
نوع من
الكواركات أو اللبتونات إلى نوع آخر.
مصادر الإشعاعات
التي
تتعرض لها الكائنات الحية والإنسان
ـ العناصر المشعة الموجودة في
التربة
والصخور.
2 ـ الأشعة الكونية.
3 ـ المفاعلات الذرية ومعجلات القذائف.
4 ـ الغبار الذري الناتج من تفجير القنابل الذرية والهيدروجينية.
5 ـ أجهزة الأشعة السينية المستخدمة في العلاج والكشف.
6 ـ الأجهزة المحتوية على مواد مضيئة دذاتياً مثل الساعات.
7 ـ الكبرون المشع ك، وهو موجود في جميع أجسام الكائنات الحية مع الكربون
العادي ك
بنسبة 1: 25000 وهو يشع بيتا السالبة.
مقارنة بين التفاعلات الكيميائية
والتفاعلات
النووية
| التفاعلات الكيميائية | التفاعلات النووية |
| تتبع قانون بقاء الماد | ةتتبع قانون بقاء الطاقة |
| تتبع قوانين النسب الثابتة والمتضاعفة | لا تتبع هذه القوانين |
| ينتج عنها طاقة صغيرة | ينتج عنها طاقة هائلة |
| تتم بانتقال أو مشاركة الإلكترونات بين أغلفة التكافؤ أو بالمساهمة بينها | تتم بين النوى وينتج عنها تكوين نوى عناصر جديدة |
| تحتاج غالباً لحرارة بسيطة لكي يبدأ التفاعل حتى تتقارب مستويات الطاقة من بعضها فيحدث انتقال الإلكترونات أو المساهمة بينها | يحتاج بعضها لمعجلات القذائف. والتفاعلات الاندماجية تحتاج إلى ملايين الدرجات المئوية ومليارات الضغوط الجوية |
| نظائر العنصر الواحد تعطي نفس النواتج في التفاعلات الكيميائية | نظائر العنصر الواحد لا تعطي نفس النواتج في التفاعلات النووية |
| يد+ أ ـ يد 2 أ ماء عادي | لث + يد ـ هـ + هـ + طاقة |
| 2 يد + أ ـ يد 2 أ ماء ثقيل | لث + يد ـ هـ + هـ + ق + طاقة |
| لا تتغير نوعية العنصر | تتغير نوعية العنصر |
مقارنة بين
السيكلوترون
والبيتاترون من حيث
أ ـ نوع الجسيمات المعجلة ـ ب ـ
الاستخدام ـ
ج ـ فكرة التعجيل ـ د ـ المجال المغناطيسي ـ هـ ـ السرعة الزاوية ـ و ـ
المسار.
| السيكلوترون | البيتاترون |
| أ ـ يستخدم في تعجيل الجسيمات الموجبة الشحنة مثل البروتونات، الديوترونات ودقائق ألفا | أ ـ يستخدم في تعجيل الإلكترونات |
| ب ـ تستخدم الجسيمات الموجبة المعجلة كقذائف في التفاعلات النووية | ب ـ توجه الإلكترونات المعجلة نحو سلك من البلاتين فتصطدم به فتولد أشعة سينية ذات طاقة عالية تستخدم في التفاعلات النووية |
| ج ـ تعتمد فكرة التعجيل على تغير اتجاه المجال الكهربي في الفجوة بين (د 1، د 2) . فعندما يعبر الجسيم الفجوة يتم تعجيله فتزداد سرعته. وبتكرار تغير اتجاه المجال يكتسب الجسيم طاقة إضافية كلما عبر الفجوة، حتى تصل طاقته إلى أقصاها في نهاية مساره، ثم يوجه نحو الهدف لإحداث التفاعل النووي | ج ـ تعتمد فكرة التعجيل على تغير شدة المجال المغناطيسي المتردد. حيث تزداد شدته تدريجياً من صفر إلى نهاية عظمى في الربع الأول من ذبذبة التيار أي في زمن قدره 1/240 من الثانية، وفي هذه الفترة تكتسب الإلكترونات سرعة وطاقة متزايدة تصل إلى أقصاها في نهاية هذه الفترة الزمنية. وعندما توجه نحو سلك البلاتين لتصطدم به فتتولد الأشعة السينية ذات طاقة عالية |
| د ـ المجال المغناطيسي المستخدم يكون موحد الاتجاه والشدة | د ـ المجال المغناطيسي متردد متغير الشدة والاتجاه |
| هـ ـ السرعة الزاوية للجسيمات المعجلة ثابتة لا تعتمد على (ع أو س) | هـ ـ السرعة الزاوية للإلكترونات المعجلة متزايدة تتناسب طردياً مع السرعة الخطية (ع) |
| و ـ تتحرك الجسيمات المعجلة في مسار حلزوني | و ـ تتحرك الإلكترونات المعجلة في مسار دائري |
وجه المقارنة القنبلة الذرية
القنبلة
الهيدروجينية
| فكرة العمل | تعتمد على إحداث تفاعل انشطاري في وقت قصير | تعتمد على إحداث تفاعل اندماجي بين نظائر الهيدروجين باستخدام تفاعل انشطاري متسلسل |
| نوع التفاعل النووي | تفاعل انشطاري متسلسل | تفاعل اندماجي |
| القنبلة الذرية | القنبلة الهيدروجينية | |
| وقودها اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم | وقودها نظائر الهيدروجين وقد يضاف إليها نظير الليثيوم لث وتحاط نظائر الهيدروجين والقنبلة الذرية بغلاف من اليورانيوم 238 | |
| وقودها محدد بحجم حرج | وقودها غير محدد بحجم معين | |
| تستخدم فيها مواد عاكسة للنيوترونات | لا تستخدم فيها مواد عاكسة للنيوترونات | |
| قوتها التدميرية أقل 1000 مرة من القنبلة الهيدروجينية | قوتها التدميرية أكبر 1000 مرة من قوة القنبلة الذرية |
ميكانيكا الكم
ميدانٌ من ميادين علم الفيزياء، يصف
تركيب
الذرّة وحركة الجسيمات الذرية، ويوضح كذلك كيف تمتص الذرات الطاقة في شكل
ضوء، وكيف
تطلقها، ويوضح طبيعة الضوء.
تمضي ميكانيكا الكم إلى ما يتجاوز الحدود القصوى للفيزياء التقليدية، التي
تقوم على
أساس القوانين التي صاغها العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن. وهي تُعد من
المُنجَزَات العلمية الكبرى التي تحققت في القرن العشرين. وبالإضافة إلى
أهميتها
النظرية، فقد ساهمت في تطوير أجهزة عملية مثل أجهزة الليزر والترانزستور،
كما مكنت
العلماء من تحقيق فهم أفضل للروابط والتفاعلات الكيميائية.
فهم ميكانيكا الكم: تتحرك في الذرة جسيماتٌ صغيرةٌ ذاتُ شحنة كهربائية
سالبة.
ويُطلق على هذه الجسيمات الإلكترونات وتتحرك في مدارات حول نواة ذات شحنة
موجبة.
وتوضح ميكانيكا الكم أن الإلكترونات لا يمكنها التحرك إلا في مدارات
بعينها، وكلّ
مدار يدعى المدر المُكمَّى وله قيمة معينة من الطاقة. وعندما يكون إلكترون
ما في
مدار محدد فإنه يوجد في مستوى بعينه من مستويات الطاقة، ولا يطلق الطاقة أو
يمتصها.
ويظل الإلكترون في هذه الحالة العادية، طالما أن ذرته على حالها، ولكن إذا
ما أثرت
قوى جارجية على هذه الذرة، فإن الإلكترون يمكن أن يتغير متنقلاً إلى مدار
مكمّى
آخر.
وعندما يقفز الإلكترون من مدار ذي طاقة أعلى إلى مدار ذي طاقة أقل، فإنه
يطلق
الطاقة على شكل ضوء، وهذا الضوء يُطلق في صورة حزمة صغيرة من الطاقة تدعى
كوانتم أو
فوتون. وتساوي طاقة الفوتون هذه الفرق في الطاقة بين المدارين اللذين حدث
القفز من
أحدهما إلى الآخر. والإلكترون يمكنه كذلك أن يمتص فوتوناً، ويقفز من مدار
ذي طاقة
أدنى إلى مدار ذي طاقة أعلى. وبهذه الطريقة فإن ميكانيكا الكم توضح العملية
التي من
خلالها تُطلق الذرة فوتونات الضوء وتمتصها.
كان العلماء في السابق يعتقدون أن الضوء موجةٌ تنبعث على شكل دفق متواصل،
ولكننا
الآن نعرف أن للضوء خواصّ كل من الجسيمات (الفوتونات) والموجات. وللفوتون
طاقة
تتناسب مع تردد الموجات؛ أي مع عدد الذبذبات في الثانية.
وتوضح ميكانيكا الكم إن الإلكترونات وغيرها من الجسيمات الذرية للمادة
مرتبطة
بالموجات كذلك. وهذه الموجات التي تسمى موجات المادة لها أطوال موجبة
محددة. والطول
الموجي يتناسب في كل الأحوال مع تردد الموجات ومع كمية حركة الجسيمات. وهذه
الكمية
تُحسب بضرب كتلة الجسيمات في سرعتها. وتقدم موجات المادة تفسيراً لترتيب
الإلكترونات في مدارات منفصلة.
نظرية بوهر
للتفاعل
النووي
تفسر هذه النظرية مراحل التفاعل
النووي
وتتلخص فيما يأتي:
1 ـ عند قذف نواة الهدف بقذيفة فإنها تمتص القذيفة ويتكون نواة مركبة نواة
الهدف +
قذيفة ـ نواة مركبة 2 ـ تتوزع طاقة القذيفة على نويات النواة بالتساوي
فترتفع درجة
حرارتها إلى ملايين الدرجات المئوية فتتصادم النويات وفي النهاية يتركز جزء
كبير من
الطاقة الإضافية على إحدى النويات فتتغلب على القوى النووية وتنفصل عن
النواة.
نواة مركبة ـ نواة نهائية + قذيفة أو قذائف مطرودة 3 ـ النواة المركبة تشبه
قطرة
سائل ارتفعت درجة حرارتها فتبخر بعض جزيئاتها. فالنواة المركبة يتبخر بعض
نوياتها
والنوية المتبخرة قد تكون بروتوناً أو نيوتروناً أو بروتوناً مع نيوترون
(ديترون)
أو 2 بروتون مع 2 نيوترون (دقيقة ألفا) .
4 ـ إذا كانت القذيفة طاقتها ضعيفة وغير قادرة على تبخير إحدى النويات
تأسرها
النواة وتصبح نواة نهائية وتخرج منها طاقة القذيفة على هيئة فوتونات جاما.
علاقات بين الوحدات
المدير العام- عضو ممتاز
-
.....
الباحث عن الحقيقة
.....
****************************
---------------------------------------
----------------------------------------
عدد الرسائل : 4202
العمر : 65
العمل : باحث وكاتب في العلوم ومقارنة الآديان
تاريخ التسجيل : 13/08/2008 -
مواضيع مماثلة» الفيزياء Physics
» وسوعة الطبيعة الميسرة موسوعة تشمل التعريف بجميع أنواع الكائنات الحية فى جميع البيئات الطبيعية انها موسوعة رائعة
» موسوعة ويكيبيديا و هى أكبر موسوعة على الانترنت
» الفيزياء
» الفيزياء والفلسفة
» وسوعة الطبيعة الميسرة موسوعة تشمل التعريف بجميع أنواع الكائنات الحية فى جميع البيئات الطبيعية انها موسوعة رائعة
» موسوعة ويكيبيديا و هى أكبر موسوعة على الانترنت
» الفيزياء
» الفيزياء والفلسفة
صلاحيات هذا المنتدى:
لاتستطيع الرد على المواضيع في هذا المنتدى