فیزیک برای زندگی
مباحث علم فیزیکفیزیک برای زندگی
مباحث علم فیزیکاجسام کجا سنگین تر هستند
بر طبق قانون گرانش نیوتن همه اجسام یکدیگر را جذب می‌کنند. یک سنگ کوچک روز زمین یک سیاره دور دست را جذب می‌کند ما برای این روی زمین ایستاده‌ایم که ما زمین را و همینطور زمین ما را جذب می‌کند. وقتی از سطح زمین دور میشویم نیروی جاذبه کاهش می‌یابد؟ آیا اگر به اعماق زمین برویم، نیروی جاذبه افزایش می‌یابد؟
قانون جاذبه جهانی نیوتن را می‌توان اینگونه بیان کرد: "هر ذره‌ایی در جهان ، هر ذره دیگر را با نیرویی که با حاصلضرب جرمهای آنها بطور مستقیم ، و با مربع فاصله مابین آنها بطور معکوس متناسب است؟ جذب می‌کند. جهت این نیرو در امتداد خط واصل ذرات است."
بنابراین اندازه نیروی جاذبه اعمالی F بر روی دو ذره به جرمهای m1 و m2 ، که در فاصله r از یکدیگر قرار دارند، برابر است با: F=(Gm1m2)/r2 که در این جا G ثابت جاذبه ، (یک ثابت جهانی) است که برای هر زوجی از ذرات ، یک مقدار می‌باشد. توجه کنید که G را با g اشتباه نکنید. g ، شتاب یک جسم سقوط کننده تحت جاذبه زمین است ولی G یک مقدار ثابت جهانی است.
می‌گوییم همه اجسام یکدیگر را جذب می‌کنند. شتاب ماه در جهت زمین را ، می‌توانیم از دوره تناوب حرکت انتقالیش ، و شعاع مدار آن حساب کنیم که مقدار آن برابر با 0.0027 متر بر مجذور ثانیه (m/S2) می‌باشد. این مقدار 3600 بار کوچکتر از g شتاب سقوط آزاد بر روی سطح زمین است. نیوتن با فرض این که شتاب سقوط یک جسم با مربع معکوس فاصله آن از زمین متناسب است. به تلاش برای یافتن علت این اختلاف پرداخت.
سوالی که بلافاصله مطرح می‌شود، درباره معنای "فاصله از زمین" است. نیوتن در نهایت فرض کرد که جرم زمین می‌تواند به نحوی رفتار کند که گویی کل جرم آن در مرکزش متمرکز شده است. برای مثال در مقایسه با خورشید ، زمین را می‌توان به صورت یک ذره در نظر گرفت. به هر حال واضح نیست که آیا ما می‌توانیم با زمین به صورت یک ذره ، شبیه به یک سیب که تنها در چند متری بالای زمین قرار گرفته است، رفتار کنیم یا خیر. اگر این فرض را قبول کنیم، یک جسم که در نزدیکی سطح زمین سقوط می‌کند، به اندازه شعاع کره زمین (6400km) ، از مرکز موثر جاذبه زمین فاصله دارد. ماه در حدود 380000km از زمین فاصله دارد. نسبت مربع معکوس این فاصله برابر با 2(380000/6400)=3600/1 می‌باشد، که با نسبت شتاب ماه به شتاب سیب در توافق است. به قول نیوتن "تقریبا پاسخ زیبایی" پیدا شد.
پس زمین را می‌توان یک ذره، تصور کرد.
- وزن اجسام بالاتر از سطح زمین:
بنابراین قانون جاذبه نیوتن، هر چه از سطح زمین بالاتر برویم، نیروی جاذبه زمین کمتر می‌شود. اگر وزنه یک کیلوگرمی را با ارتفاع 6400 کیلومتر از سطح زمین بالا ببریم، یعنی وزنه را به اندازه دو برابر شعاع کره زمین، از مرکز زمین، دور کنیم، نیروی جاذبه به اندازه 2 2 یعنی چهار بار کوچکتر خواهد شد. همانطور که گفتیم می‌توان کره زمین را به صورت یک ذره با جرم کل زمین در نظر گرفت) و وزنه یک کلوگرمی با ترازوی فنری به جای وزن معادل 1000 گرم، فقط وزن معادل 250 گرم را خواهد داشت (توجه کنید که اساس ترازوی فنری، تغییر طول فنر با وزن جسم است که با تغییر شتاب جاذبه، تغییر می‌کند) هر چه فاصله را زیادتر کنیم، وزن به نسبت مجذور فاصله کمتر خواهد شد.
وزن اجسام در اعماق زمین
طبیعتا چنین فکری پیدا می‌شود که اگر با وزنه به اعماق زمین فرو برویم، یعنی جسم را به مرکز زمین نزدیک کنیم، باید مشاهده کنیم که نیروی جاذبه افزایش می‌یابد، یعنی وزنه در اعماق زمین باید سنگین‌تر باشد. این تصورات نادرست است. با فرو رفتن به اعماق زمین ، وزن اجسام افزایش نمی‌یابد، بلکه برعکس ، کم می‌شود. علت این امر این است که در این صورت قسمتهای جذب کننده زمین ، در یک طرف قرار ندارند بلکه در چند طرف آن قرار دارند.
جسمی که در عمق زمین قرار دارد، بوسیله قسمتهایی از زمین که در زیر آن واقع است، به پایین جذب می‌شود و در عین حال بوسیله قسمتهایی که در بالای آن واقع است، به بالا جذب می‌شود. می‌توان ثابت کرد که در نتیجه نهایی فقط نیروی جاذبه کره‌ای شعاع از مرکز زمین تا محل قرار داشتن جسم ، روی جسم اثر می‌کند.
بنابراین هر چه جسم به اعماق زمین فرو رود، وزن آن به سرعت تقلیل می‌یابد. وقتی جسم به مرکز زمین برسد، به کلی وزن خود را از دست می‌دهد و بی‌وزن می‌شود، زیرا قسمتهایی که جسم را احاطه کرده اند، آن را با نیرویی یکسان ، به همه طرف جذب می‌کنند.
پس
وزن جسم روی سطح زمین ، از هر جای دیگری بیشتر است، با دور شدن جسم از سطح زمین ، به بالا یا به اعماق زمین ، وزن آن کاهش می‌یابد.
حالت های جدید ماده
در دماهای عادی ماده سه حالت دارد که تقریباً برای همه شناخته شده است؛ گاز، مایع، جامد. علاوه براین حالات، حالات دیگری از ماده وجود دارد که در دمای معمولی جو زمین قابل تشکیل نیستند. مانند : پلاسما، بوز انیشتین و چگالی فرمیونی و تئوری میدان.
پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می‌دهد. واژه پلاسما به گاز یونیزه‌شده‌ای گفته می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه‌شده‌ای که تعداد الکترون‌های آزاد آن تقریباً برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود.
تاریخچه پلاسما
در سال ۱۸۷۹ (میلادی) فیزیکدان انگلیسی سر ویلیام کروکس، هنگام بررسی ویژگی‌های ماده در تخلیهٔ الکتریکی، پیشنهاد کرد که این گازها حالت چهارم ماده هستند.
دما در حالت پلاسما
در حالت‌های جامد، مایع و گاز، دما را می‌توان از روی دامنهٔ حرکت (سرعت نوسان) ذرات سازندهٔ ماده تعریف کرد اما در حالت پلاسما، دما از روی میزان جدایش یونهای مثبت از الکترون‌ها تعریف می‌شود.
بیشتر گفته می‌شود ۹۹٪ ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتم‌هایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما، هنگامی که جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه میشویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.
در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق، تابش ملایم شفق قطبی، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیده‌کردن. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده می‌شود. بنابراین ما در یک درصدی از جهان زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمی‌شود.
| پارامترهای عمومی پلاسما: بر حسب بزرگی | ||
| مشخصات | پلاسمای زمینی | پلاسماهای کیهانی |
| اندازه به متر | ۱۰−۶ m (پلاسمای آزمایشگاهی) تا ۱۰۲ m (رعد) (~۸ از مرتبه) | ۱۰−۶ متر (پوشش سفینه فضایی) to ۱۰۲۵ متر (سهابی میان کهکشانی) (~۳۱ OOM) |
| طول عمر به ثانیه | ۱۰−۱۲ ثانیه (پلاسمای ایجاد شده توسط لیزر) تا ۱۰۷ ثانیه (نور فلئورسنت) (~۱۹ از مرتبه) | ۱۰۱ ثانیه (solar flares) تا ۱۰۱۷ s (پلاسمای میان کهکشانی) (~۱۷ از مرتبه) |
| چگالی ذره در متر مکعب متر مربع | ۱۰۷ m-۳ تا ۱۰۳۲ m-۳ (inertial confinement plasma) | ۱۰۰ (۱) m-۳ (میان کهکشانی متوسط) تا ۱۰۳۰ m-۳ (هسته ستاره) |
| دما به کلوین | ~۰ K (crystalline non-neutral plasma[۱]) to ۱۰۸ K (پلاسمای همجوشی مغناطیسی) | ۱۰۲ K (شفق قطبی) تا ۱۰۷ K (هسته خورشید) |
| میدان‌های مغناطیسی به تسلا | ۱۰−۴ تسلا (پلاسمای آزمایشگاهی) تا ۱۰۳ T (پلاسمای ایجاد شده توسط پالس) | ۱۰−۱۲ تسلا (میان کهکشانی متوسط) تا ۱۰۱۱ T (نزدیک ستاره‌های نوترونی) |
[ انواع پلاسما
پلاسمای جو
نزدیکترین پلاسما به کره زمین، یونوسفر است که از ۱۵۰ کیلومتری سطح زمین شروع می‌شود و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر، فیزیک سیستم‌ها به فرم پلاسما هستند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین به‌وسیله پرتوهای کیهانی و الکترون‌هایی که به گلنونسفر برخورد می‌کنند یونیزه می‌شوند.
شفق قطبی
پدیده شفق نیز گونه‌ای پلاسما است که تحت اثر یونیده‌شدن ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس، فرابنفش، تابش خورشیدی، بازتاب امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سراسر جهان دارد. زهره و مریخ نیز لایه یونسفری دارند.
سیاره‌ها
ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در دیگر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری، زحل، اورانوس و نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی ضعیف (نزدیک به ۵۱۰۰ تسلا) است.
هسته‌های دنباله‌دارها
هسته‌های دنباله‌دارها نیز به فضای میان پلاسمایی پرتاب می‌کند. از طرف دیگر، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی زیاد خورشید مانند درخشندگی پلاسمایی است. خورشید به سه بخش گازی فتوسفر، کروموسفر و کورونا (که دمای کرونای آن بیش از یک میلیون درجه سانتی‌گراد است) احاطه شده‌است و انتظار می‌رود که هزاران سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.
کاربردهای فیزیک پلاسما
قدیمیترین کار با پلاسما، مربوط به لانگمیر، تانکس و همکاران آنها در سال ۱۹۲۰ می‌شود. تحقیقات در این مورد به سبب نیاز برای توسعه لوله‌های خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه می‌بایست از گازهای یونیده‌شده پر شوند، احساس می‌شد.
همجوشی گرما هسته‌ای کنترل شده توسط میدان‌های مغناطیسی
فیزیک پلاسمای جدید (از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز می‌شود.
ر.ک:
] همجوشی هسته‌ای کنترل شده توسط لیزرهای پر توان
ر.ک:
- LLNL Inertial Confinement Fusion
- The Cascade inertial confinement fusion reactor concept
- SOMBRERO ICF Reactor
فیزیک فضا
کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوسته‌ای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده می‌شود، به مگنتوسفر زمین برخورد می‌کند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که می‌توانند در حالت پلاسما باشند.
تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک (MHD) و پیشرانش یونی
دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیش‌رانده می‌شود، است.
پلاسمای حالت جامد
الکترون‌های آزاد و حفره‌ها در نیمه رساناها، پلاسمایی را تشکیل می‌دهند که همان نوع نوسانات و ناپایداری‌های یک پلاسمای گازی را دارد.
لیزرهای گازی
عادی‌ترین پمپاژ (تلمبه کردن) یک لیزر گازی، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به تقویت نور می‌شود، استفاده از تخلیه گازی است.
دیگر کاربردها
- چاقوی پلاسما
- تلویزیون پلاسما
- تفنگ الکترونی
- لامپ پلاسما
چگالش بوز-اینشتین
توزیع سرعتی ذره‌ها، اندازه‌گیری شده برای چگالش بوز-اینشتین، پنجمین حالت ماده، دو نمودار سمت راستی برای دماهای بسیار پایین است که در آنها، بوزون‌ها در پایین‌ترین حالت کوانتومی متمرکز می‌شوند.
ممکن است، یک حالت کوانتومی (اصولا در دماهای پایین)، توسط تعدادی ماکروسکوپی از بوزون‌ها اشغال شود که به این گذار فاز، چگالش بوز-اینشتین می‌گویند. فاز پنجم ماده با نام ماده چگال بوز-اینشتین (Bose–Einstein condensate) که در سال ۱۹۹۵ مشاهده شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزون‌ها (Bosons) تا دماهایی بسیار پایین پدید می‌آید. بوزون‌های سرد در هم فرومی‌روند و ابر ذره‌هایی که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذره‌های معمولی شکل می‌گیرد. ماده چگال بوز-اینشتین شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.
سال ۲۰۰۱ ، ولفگانگ کترله، جایزه نوبل فیزیک را به خاطر نشان دادن تجربی این پدیده از آن خود کرد.
