Photoelectric effect

 

Photoelectric effect
Light-matter interaction
Low-energy phenomena	Photoelectric effect
Mid-energy phenomena	Compton scattering
High-energy phenomena	Pair production

In the photoelectric effect, electrons are emitted from matter (metals and non-metallic solids, liquids or gases) as a consequence of their absorption of energy from electromagnetic radiation of very short wavelength, such as visible or ultraviolet light. Electrons emitted in this manner may be referred to as "photoelectrons".^[1][2] First observed by Heinrich Hertz in 1887,^[2] the phenomenon is also known as the "Hertz effect",^[3][4], although the latter term has fallen out of general use. Hertz observed and then showed that electrodes illuminated with ultraviolet light create electric sparks more easily.

The photoelectric effect requires photons with energies from a few electronvolts to over 1 MeV in high atomic number elements. Study of the photoelectric effect led to important steps in understanding the quantum nature of light and electrons and influenced the formation of the concept of wave–particle duality.^[1] Other phenomena where light affects the movement of electric charges include the photoconductive effect (also known as photoconductivity or photoresistivity), the photovoltaic effect, and the photoelectrochemical effect.

Contents [hide] 1 Emission mechanism 1.1 Experimental results of the photoelectric emission 1.2 Mathematical description 1.3 Three-step model 2 History 2.1 19th century 2.2 20th Century 3 Uses and effects 3.1 Photomultipliers 3.2 Image sensors 3.3 The gold-leaf electroscope 3.4 Photoelectron spectroscopy 3.5 Spacecraft 3.6 Moon dust 3.7 Night vision devices 4 Cross section 5 See also 6 References 7 External links

[edit] Emission mechanism

The photons of a light beam have a characteristic energy determined by the frequency of the light. In the photoemission process, if an electron within some material absorbs the energy of one photon and thus has more energy than the work function (the electron binding energy) of the material, it is ejected. If the photon energy is too low, the electron is unable to escape the material. Increasing the intensity of the light beam increases the number of photons in the light beam, and thus increases the number of electrons emitted, but does not increase the energy that each electron possesses. Thus the energy of the emitted electrons does not depend on the intensity of the incoming light, but only on the energy or frequency of the individual photons.

Electrons can absorb energy from photons when irradiated, but they usually follow an "all or nothing" principle. All of the energy from one photon must be absorbed and used to liberate one electron from atomic binding, or the energy is re-emitted. If the photon energy is absorbed, some of the energy liberates the electron from the atom, and the rest contributes to the electron's kinetic energy as a free particle.^{[citation needed]}

[edit] Experimental results of the photoelectric emission

1. For a given metal and frequency of incident radiation, the rate at which photoelectrons are ejected is directly proportional to the intensity of the incident light.
2. For a given metal, there exists a certain minimum frequency of incident radiation below which no photoelectrons can be emitted. This frequency is called the threshold frequency.
3. For a given metal of particular work function, increase in intensity of incident beam increases the magnitude of the photoelectric current, though stoppage voltage remains the same.
4. For a given metal of particular work function, increase in frequency of incident beam increases the maximum kinetic energy with which the photoelectrons are emitted, but the photoelectric current remains the same, though stoppage voltage increases.
5. Above the threshold frequency, the maximum kinetic energy of the emitted photoelectron depends on the frequency of the incident light, but is independent of the intensity of the incident light so long as the latter is not too high ^[5]
6. The time lag between the incidence of radiation and the emission of a photoelectron is very small, less than 10⁻⁹ second.
7. The direction distribution of emitted electrons peaks in the direction of polarization (the direction of the electric field) of the incident light, if it is linearly polarized.^{[citation needed]}

[edit] Mathematical description

The maximum kinetic energy K_max of an ejected electron is given by

where h is the Planck constant, f is the frequency of the incident photon, and φ = hf₀ is the work function (sometimes denoted W), which is the minimum energy required to remove a delocalised electron from the surface of any given metal. The work function, in turn, can be written as

where f₀ is called the threshold frequency for the metal. The maximum kinetic energy of an ejected electron is thus

Because the kinetic energy of the electron must be positive, it follows that the frequency f of the incident photon must be greater than f₀ in order for the photoelectric effect to occur.^[6]

[edit] Three-step model

In the X-ray regime, the photoelectric effect in crystalline material is often decomposed into three steps:^[7]

1. Inner photoelectric effect (see photodiode below). The hole left behind can give rise to auger effect, which is visible even when the electron does not leave the material. In molecular solids phonons are excited in this step and may be visible as lines in the final electron energy. The inner photoeffect has to be dipole allowed. The transition rules for atoms translate via the tight-binding model onto the crystal. They are similar in geometry to plasma oscillations in that they have to be transversal.
2. Ballistic transport of half of the electrons to the surface. Some electrons are scattered.
3. Electrons escape from the material at the surface.

In the three-step model, an electron can take multiple paths through these three steps. All paths can interfere in the sense of the path integral formulation. For surface states and molecules the three-step model does still make some sense as even most atoms have multiple electrons which can scatter the one electron leaving.^{[citation needed]}

[] History

When a surface is exposed to electromagnetic radiation above a certain threshold frequency (typically visible light for alkali metals, near ultraviolet for other metals, and extreme ultraviolet for non-metals), the radiation is absorbed and electrons are emitted. Light, and especially ultra-violet light, discharges negatively electrified bodies with the production of rays of the same nature as cathode rays.^[8] Under certain circumstances it can directly ionize gases.^[8] The first of these phenomena was discovered by Hertz and Hallwachs in 1887.^[8] The second was announced first by Lenard in 1900.^[8]

The ultra-violet light to produce these effects may be obtained from an arc lamp, or by burning magnesium, or by sparking with an induction coil between zinc or cadmium terminals, the light from which is very rich in ultra-violet rays. Sunlight is not rich in ultra-violet rays, as these have been absorbed by the atmosphere, and it does not produce nearly so large an effect as the arc-light. Many substances besides metals discharge negative electricity under the action of ultraviolet light: lists of these substances will be found in papers by G. C. Schmidt^[9] and O. Knoblauch.^[10]

[] 19th century

In 1839, Alexandre Edmond Becquerel discovered the photovoltaic effect while studying the effect of light on electrolytic cells.^[11] Though not equivalent to the photoelectric effect, his work on photovoltaics was instrumental in showing a strong relationship between light and electronic properties of materials. In 1873, Willoughby Smith discovered photoconductivity in selenium while testing the metal for its high resistance properties in conjunction with his work involving submarine telegraph cables.^[12]

Johann Elster (1854-1920) and Hans Geitel (1855-1923), students in Heidelberg, developed the first practical photoelectric cells that could be used to measure the intensity of light.^[13] Elster and Geitel had investigated with great success the effects produced by light on electrified bodies.^[14]

Heinrich Rudolf Hertz,
from Oliver Heaviside: Sage in Solitude

In 1887, Heinrich Hertz observed the photoelectric effect and the production and reception of electromagnetic waves.^[8] He published these observations in the journal Annalen der Physik. His receiver consisted of a coil with a spark gap, where a spark would be seen upon detection of electromagnetic waves. He placed the apparatus in a darkened box to see the spark better. However, he noticed that the maximum spark length was reduced when in the box. A glass panel placed between the source of electromagnetic waves and the receiver absorbed ultraviolet radiation that assisted the electrons in jumping across the gap. When removed, the spark length would increase. He observed no decrease in spark length when he substituted quartz for glass, as quartz does not absorb UV radiation. Hertz concluded his months of investigation and reported the results obtained. He did not further pursue investigation of this effect.

The discovery by Hertz^[15] in 1887 that the incidence of ultra-violet light on a spark gap facilitated the passage of the spark, led immediately to a series of investigations by Hallwachs,^[16] Hoor,^[17] Righi^[18] and Stoletow^{[19][20][21][22][23][24][25]}. on the effect of light, and especially of ultra-violet light, on charged bodies. It was proved by these investigations that a newly cleaned surface of zinc, if charged with negative electricity, rapidly loses this charge however small it may be when ultra-violet light falls upon the surface; while if the surface is uncharged to begin with, it acquires a positive charge when exposed to the light, the negative electrification going out into the gas by which the metal is surrounded; this positive electrification can be much increased by directing a strong airblast against the surface. If however the zinc surface is positively electrified it suffers no loss of charge when exposed to the light: this result has been questioned, but a very careful examination of the phenomenon by Elster and Geitel^[26] has shown that the loss observed under certain circumstances is due to the discharge by the light reflected from the zinc surface of negative electrification on neighbouring conductors induced by the positive charge, the negative electricity under the influence of the electric field moving up to the positively electrified surface.^[27]

With regard to the Hertz effect, the researches from the start showed a great complexity of the phenomenon of photoelectric fatigue — that is, the progressive diminution of the effect observed upon fresh metallic surfaces. According to an important research by Wilhelm Hallwachs, ozone played an important part in the phenomenon.^[28] However, other elements enter such as oxidation, the humidity, the mode of polish of the surface, etc. It was at the time not even sure that the fatigue is absent in a vacuum.

In the period from February 1888 and until 1891, a detailed analysis of photoeffect was performed by Aleksandr Stoletov with results published in 6 works; four of them in Comptes Rendus, one review in Physikalische Revue (translated from Russian), and the last work in Journal de Physique. First, in these works Stoletov invented a new experimental setup which was more suitable for a quantitative analysis of photoeffect. Using this setup, he discovered the direct proportionality between the intensity of light and the induced photo electric current (the first law of photoeffect or Stoletov's law). One of his other findings resulted from measurements of the dependence of the intensity of the electric photo current on the gas pressure, where he found the existence of an optimal gas pressure P_m corresponding to a maximum photocurrent; this property was used for a creation of solar cells.^{[citation needed]}

In 1899, J. J. Thomson investigated ultraviolet light in Crookes tubes. ^[29] Influenced by the work of James Clerk Maxwell, Thomson deduced that cathode rays consisted of negatively charged particles, later called electrons, which he called "corpuscles". In the research, Thomson enclosed a metal plate (a cathode) in a vacuum tube, and exposed it to high frequency radiation. It was thought that the oscillating electromagnetic fields caused the atoms' field to resonate and, after reaching a certain amplitude, caused a subatomic "corpuscle" to be emitted, and current to be detected. The amount of this current varied with the intensity and colour of the radiation. Larger radiation intensity or frequency would produce more current.^{[citation needed]}

[ 20th Century

The discovery of the ionization of gases by ultra-violet light was made by Philipp Lenard in 1900. As the effect was produced across several centimeters of air and made very great positive and small negative ions, it was natural to interpret the phenomenon, as did J. J. Thomson, as an Hertz effect upon the solid or liquid particles present in the gas.^[8]

German physicist Phillipp Lenard

In 1902, Lenard observed that the energy of individual emitted electrons increased with the frequency (which is related to the color) of the light. This appeared to be at odds with James Clerk Maxwell's wave theory of light, which was thought to predict that the electron energy would be proportional to the intensity of the radiation.

In 1902, Lenard observed the variation in electron energy with light frequency. He used a powerful electric arc lamp which enabled him to investigate large changes in intensity, and had sufficient power to enable him to investigate the variation of potential with light frequency. His experiment directly measured potentials, not electron kinetic energy: he found the electron energy by relating it to the maximum stopping potential (voltage) in a phototube. He found that the calculated maximum electron kinetic energy is determined by the frequency of the light. For example, an increase in frequency results in an increase in the maximum kinetic energy calculated for an electron upon liberation - ultraviolet radiation would require a higher applied stopping potential to stop current in a phototube than blue light. However Lenard's results were qualitative rather than quantitative because of the difficulty in performing the experiments: the experiments needed to be done on freshly cut metal so that the pure metal was observed, but it oxidised in a matter of minutes even in the partial vacuums he used. The current emitted by the surface was determined by the light's intensity, or brightness: doubling the intensity of the light doubled the number of electrons emitted from the surface.

The researches of Langevin and those of Eugene Bloch^[30] have shown that the greater part of the Lenard effect is certainly due to this 'Hertz effect'. The Lenard effect upon the gas itself nevertheless does exist. Refound by J. J. Thomson^[31] and then more decisively by Palmer,^[32] it was studied and showed very different characteristics than those at first attributed to it by Lenard.^[8]

In 1905, Albert Einstein solved this apparent paradox by describing light as composed of discrete quanta, now called photons, rather than continuous waves. Based upon Max Planck's theory of black-body radiation, Einstein theorized that the energy in each quantum of light was equal to the frequency multiplied by a constant, later called Planck's constant. A photon above a threshold frequency has the required energy to eject a single electron, creating the observed effect. This discovery led to the quantum revolution in physics and earned Einstein the Nobel Prize in Physics in 1921.^[33] By wave-particle duality the effect can be analyzed purely in terms of waves though not as conveniently.^[34]

Einstein, in 1905, when he wrote the Annus Mirabilis papers

Albert Einstein's mathematical description of how the photoelectric effect was caused by absorption of quanta of light (now called photons), was in one of his 1905 papers, named "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light". This paper proposed the simple description of "light quanta", or photons, and showed how they explained such phenomena as the photoelectric effect. His simple explanation in terms of absorption of discrete quanta of light explained the features of the phenomenon and the characteristic frequency. Einstein's explanation of the photoelectric effect won him the Nobel Prize in Physics in 1921.^[35]

The idea of light quanta began with Max Planck's published law of black-body radiation ("On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum". Annalen der Physik 4 (1901)) by assuming that Hertzian oscillators could only exist at energies E proportional to the frequency f of the oscillator by E = hf, where h is Planck's constant. By assuming that light actually consisted of discrete energy packets, Einstein wrote an equation for the photoelectric effect that fit experiments. It explained why the energy of photoelectrons were dependent only on the frequency of the incident light and not on its intensity: a low-intensity, high-frequency source could supply a few high energy photons, whereas a high-intensity, low-frequency source would supply no photons of sufficient individual energy to dislodge any electrons. This was an enormous theoretical leap, but the concept was strongly resisted at first because it contradicted the wave theory of light that followed naturally from James Clerk Maxwell's equations for electromagnetic behavior, and more generally, the assumption of infinite divisibility of energy in physical systems. Even after experiments showed that Einstein's equations for the photoelectric effect were accurate, resistance to the idea of photons continued, since it appeared to contradict Maxwell's equations, which were well-understood and verified.^{[citation needed]}

Einstein's work predicted that the energy of individual ejected electrons increases linearly with the frequency of the light. Perhaps surprisingly, the precise relationship had not at that time been tested. By 1905 it was known that the energy of photoelectrons increases with increasing frequency of incident light and is independent of the intensity of the light. However, the manner of the increase was not experimentally determined until 1915 when Robert Andrews Millikan showed that Einstein's prediction was correct.^{[citation needed]}

The photoelectric effect helped propel the then-emerging concept of the dualistic nature of light, that light simultaneously possesses the characteristics of both waves and particles, each being manifested according to the circumstances. The effect was impossible to understand in terms of the classical wave description of light,^[36][37][38] as the energy of the emitted electrons did not depend on the intensity of the incident radiation. Classical theory predicted that the electrons would 'gather up' energy over a period of time, and then be emitted.^[39][37]

[] Uses and effects

[] Photomultipliers

These are extremely light-sensitive vacuum tubes with a photocathode coated onto part (an end or side) of the inside of the envelope. The photocathode contains combinations of materials such as caesium, rubidium and antimony specially selected to provide a low work function, so when illuminated even by very low levels of light, the photocathode readily releases electrons. By means of a series of electrodes (dynodes) at ever-higher potentials, these electrons are accelerated and substantially increased in number through secondary emission to provide a readily detectable output current. Photomultipliers are still commonly used wherever low levels of light must be detected.^{[citation needed]}

[] Image sensors

Video camera tubes in the early days of television used the photoelectric effect, for example, Philo Farnsworth's "Image dissector" used a screen charged by the photoelectric effect to transformer an optical image into a scanned electronic signal. ^[40]

[] The gold-leaf electroscope

The gold leaf electroscope.

Gold-leaf electroscopes are designed to detect static electricity. Charge placed on the metal cap spreads to the stem and the gold leaf of the electroscope. Because they then have the same charge, the stem and leaf repel each other. This will cause the leaf to bend away from the stem. The electroscope is an important tool in illustrating the photoelectric effect. Let us say that the scope is negatively charged throughout. There is an excess of electrons and the leaf is separated from the stem. But if we then shine high-frequency light onto the cap, the scope discharges and the leaf will fall limp. This is because the frequency of the light shining on the cap is above the cap's threshold frequency. The photons in the light have enough energy to liberate electrons from the cap, reducing its negative charge. This will discharge a negatively charged electroscope and further charge a positive electroscope. However, if the electromagnetic radiation hitting the metal cap does not have a high enough frequency (its frequency is below the threshold value for the cap), then the leaf will never discharge, no matter how long one shines the low-frequency light at the cap.^[41]

[] Photoelectron spectroscopy

Since the energy of the photoelectrons emitted is exactly the energy of the incident photon minus the material's work function or binding energy, the work function of a sample can be determined by bombarding it with a monochromatic X-ray source or UV source, and measuring the kinetic energy distribution of the electrons emitted.^[42]

Photoelectron spectroscopy is done in a high-vacuum environment, since the electrons would be scattered by gas molecules if they were present. The light source can be a laser, a discharge tube, or a synchrotron radiation source.^[43]

The concentric hemispherical analyser (CHA) is a typical electron energy analyzer, and uses an electric field to change the directions of incident electrons, depending on their kinetic energies. For every element and core (atomic orbital) there will be a different binding energy. The many electrons created from each of these combinations will show up as spikes in the analyzer output, and these can be used to determine the elemental composition of the sample.

[] Spacecraft

The photoelectric effect will cause spacecraft exposed to sunlight to develop a positive charge. This can get up to the tens of volts. This can be a major problem, as other parts of the spacecraft in shadow develop a negative charge (up to several kilovolts) from nearby plasma, and the imbalance can discharge through delicate electrical components. The static charge created by the photoelectric effect is self-limiting, though, because a more highly charged object gives up its electrons less easily.^[44]

[] Moon dust

Light from the sun hitting lunar dust causes it to become charged through the photoelectric effect. The charged dust then repels itself and lifts off the surface of the Moon by electrostatic levitation.^[45][46] This manifests itself almost like an "atmosphere of dust", visible as a thin haze and blurring of distant features, and visible as a dim glow after the sun has set. This was first photographed by the Surveyor program probes in the 1960s. It is thought that the smallest particles are repelled up to kilometers high, and that the particles move in "fountains" as they charge and discharge.

[] Night vision devices

Photons hitting a thin film of alkali metal or semiconductor material such as gallium arsenide in an image intensifier tube cause the ejection of photoelectrons due to the photoelectric effect. These are accelerated by an electrostatic field where they strike a phosphor coated screen, converting the electrons back into photons. Intensification of the signal is achieved either through acceleration of the electrons or by increasing the number of electrons through secondary emissions, such as with a Micro-channel plate. Sometimes a combination of both methods are used. Additional kinetic energy is required to move an electron out of the conduction band and into the vacuum level. This is known as the electron affinity of the photocathode and is another barrier to photoemission other than the forbidden band, explained by the band gap model. Some materials such as Gallium Arsenide have an effective electron affinity that is below the level of the conduction band. In these materials, electrons that move to the conduction band are all of sufficient energy to be emitted from the material and as such, the film that absorbs photons can be quite thick. These materials are known as negative electron affinity materials.

[] Cross section

The photoelectric effect is one interaction mechanism between photons and atoms. It is one of 12 theoretically possible interactions ^[47].

At the high photon energies comparable to the electron rest energy of 511 keV, Compton scattering, another process, may take place. Above twice this (1.022 MeV) pair production may take place.^[48] Compton scattering and pair production are an example of two other competing mechanisms.

Indeed, even if the photoelectric effect is the favoured reaction for a particular single-photon bound-electron interaction, the result is also subject to statistical processes and is not guaranteed, albeit the photon has certainly disappeared and a bound electron has been excited (usually K or L shell electrons at nuclear (gamma ray) energies). The probability of the photoelectric effect occurring is measured by the cross section of interaction, σ. This has been found to be a function of the atomic number of the target atom and photon energy. A crude approximation, for photon energies above the highest atomic binding energy, is given by ^[49]:

Here Z is atomic number and n is a number which varies between 4 and 5. (At lower photon energies a characteristic structure with edges appears, K edge, L edges, M edges, etc.) The obvious interpretation follows that the photoelectric effect rapidly decreases in significance, in the gamma ray region of the spectrum, with increasing photon energy, and that photoelectric effect is directly proportional to atomic number. The corollary is that high-Z materials make good gamma-ray shields, which is the principal reason that lead (Z = 82) is a preferred and ubiquitous gamma radiation shield.^[50]

ماهواره و انواع آن

ماهواره مخابراتی میل‌استار

ماهواره، یا «قمر مصنوعی»، به دستگاه‌های ساخت بشر گفته می‌شود که در مدارهایی در فضا به گرد زمین یا سیارات دیگر می‌چرخند.

اهمیت ماهواره‌ها برای مخابرات و بررسی منابع زمینی و پژوهش و کاربردهای نظامی و جاسوسی روزافزون است. بخشی از پژوهشهای علمی و تخصصی که در آزمایشگاه‌های مستقر در فضا انجام می‌شود، هرگز نمی‌توانست روی کره زمین جنبه عملی به خود گیرد.

 تاریخچه

ظاهرا نخستین اشاره به ماهواره در ادبیات، نوشته‌ای از ادوارد اورت هیل است. او در سال ۱۸۶۹ در داستانی بنام «ماه آجری» از ماهواره‌ای حامل انسان نام می‌برد که به دور زمین می‌گردد. ژول ورن نیز در داستان «میلیون‌های بگم» در سال ۱۸۷۹ از گلوله توپی نام می‌برد که بطور ناخواسته در مدار زمین به گردش درآمده‌است. کنستانتین سیولخوسکی نیز در رساله خود بنام «اکتشاف فضای کیهانی با وسائل عکس‌العملی» در میان انبوهی از اندیشه‌های نو در مورد فضانوردی، از ماهواره نیز نام می‌برد. در سال ۱۹۴۵ آرتور سی. کلارک نویسنده داستان‌های علمی، برای اولین بار پیشنهاد کرد که ماهواره‌های ارتباطی برای تامین ارتباط در سراسر زمین در مدار زمین‌هم‌زمان کره زمین قرار گیرند.

تاریخچه ماهواره‌های مصنوعی: اولین ماهواره مصنوعی اسپوتنیک ۱ (Sputnik ۱) بود که توسط شوروی در ۴ اکتبر ۱۹۵۷ شروع به کار کرد. که این باعث به راه افتادن یک رقابت فضایی بین شوروی و آمریکا شد. آمریکا نیز اولین ماهواره خود را در ۳۱ ژانویه ۱۹۵۸ به فضا پرتاب کرد. بزرگترین ماهواره مصنوعی که هم اکنون به دور زمین می‌چرخد ایستگاه بین‌المللی فضایی می‌باشد.

نخستین پرتاب توسط کشور

کشور	سال پرتاب	نخستین ماهواره
اتحاد جماهیر شوروی ( روسیه)	۱۹۵۷	اسپوتنیک ۱
ایالات متحده	۱۹۵۷	اکسپلورر ۱
فرانسه	۱۹۶۵	آستریکس
ژاپن	۱۹۷۰	اسومی
چین	۱۹۷۰	دونک فانگ هونگ ۱
بریتانیا	۱۹۷۱	پراسپرو ایکس-۳
هند	۱۹۸۰	روهینی
اسرائیل	۱۹۸۸	اوفک-۱
اوکراین	۱۹۹۵	سیچ-۱
ایران	۲۰۰۹	امید ۱

 انواع ماهواره

•ماهواره ضد سلاح: که بعضی مواقع ماهواره‌های کشنده نیز خوانده می‌شوند، که ماهواره‌هایی هستند که برای خراب کردن ماهواره‌های دشمن و دیگر سلاح‌های مداری و اهداف دیگر طراحی شده‌اند. که هم آمریکا و هم روسیه از این نوع ماهواره دارند.

•ماهواره‌های ستاره‌شناختی: که برای مشاهده فاصله سیاره‌ها و کهکشان‌ها و دیگر اشیای خارجی فضا استفاده می‌شود.

•ماهواره‌های زیستی : ماهواره‌هایی هستند که برای حمل ارگانیسم‌های زنده طراحی شده‌اند، عموماً برای آزمایش‌های علمی استفاده می‌شوند.

•ماهواره‌های مخابراتی : ماهواره‌هایی هستند که برای اهداف ارتباط راه دور در فضا قرار گرفته‌اند. ماهواره‌های مخابراتی مدرن نوعاً از مدارهای زمین‌همگام، مولنیا (Molniya) و پایین‌زمینی استفاده می‌کنند.

•ماهواره‌های مینیاتوری : ماهواره‌هایی هستند که دارای وزن کم و سایز کوچک به طور غیر عادی می‌باشند. طبقه بندی جدیدی که برای گروه بندی این ماهواره‌ها استفاده می‌شود عبارت است از : ماهواره‌های کوچک (۵۰۰-۲۰۰kg)، ماهواره‌های میکرو (زیر ۲۰۰kg) و ماهواره‌های نانو (زیر ۱۰ کیلوگرم)

•ماهواره‌های هدایت‌کننده : ماهواره‌هایی هستند که از پخش کردن سیگنال‌های رادیویی استفاده می‌کنند تا دریافت کننده‌های موبایل را در زمین فعال نمایند تا مکان دقیق آن‌ها مشخص شود.

•ماهواره‌های اکتشافی : ماهواره‌های مشاهداتی زمین یا ماهواره‌های مخابراتی می‌باشند، که برای کاربردهای نظامی و جاسوسی مستقر شده‌اند. • ماهواره‌های زمین‌شناسی : ماهواره‌هایی هستند که برای نظارت بر محیط، هواشناسی و ساختن نقشه و... استفاده می‌شوند.

•ایستگاه فضایی : یک ساختار ساخته دست بشر می‌باشد که برای زندگی انسان در فضای خارج طراحی شده‌است. یک ایستگاه فضایی از انواع فضاپیماها به وسیله نقصش در نیرو محرکه زیاد یا امکانات بر زمین نشستن، متمایز می‌شود-به جای موتورهای دیگر به عنوان جابه جایی به و از ایستگاه استفاده می‌شود. ایستگاه‌های فضایی برای باقی ماندن در مدار برای مدت کوتاهی طراحی شده‌اند، برای قسمتی از هفته یا ماه یا حتی سال.

•ماهواره‌های تتر (Tether) : ماهواره‌هایی هستند که به وسیله یک کابل که به آنها تتر (افسار) می‌گویند، به ماهواره‌های دیگر وصل می‌شوند.

•ماهواره‌های هواشناسی : که به طور ابتدایی برای نشان دادن آب و هوای کره زمین به کار می‌روند.

 مدار ماهواره‌ها

ماهواره در یک مسیر بسته که آن را مدار ماهواره می‌نامند، به دور زمین در گردش است. این مسیر ممکن است دایره‌ای یا بیضی شکل باشد و مرکز زمین در مرکز این مسیر یا در یکی از کانون‌های بیضی آن قرار دارد. ماهواره درصورتی که تحت تاثیر نیروهای گرانشی دیگری قرارنگیرد، همواره درصفحه‌ای به نام صفحه مداری به گردش خود به دور زمین ادامه می‌دهد. حرکت این صفحه مداری به پریود مدار و زاویه صفحه با صفحه استوا بستگی دارد. اگر این زاویه صفر باشد، صفحه مداری منطبق بر صفحه استوایی زمین می‌شود. عموما ماهواره‌ها بروی چهار نوع مدار که بستگی به نوع کاربرد ماهواره دارد، قرار می‌گیرند:

• مدار پائین زمین
• مدار قطبی
• مدار زمین‌ایست
• مدار بیضوی

ماهواره‌های مدار پائین زمین

به ماهواره‌هایی که در فاصله نسبتا کمی از سطح زمین قرار دارند، ماهواره‌های مدار پائین زمین گفته می‌شود. بیشترین ارتفاع این نوع ماهواره‌ها از سطح زمین بین ۳۲۰ تا ۸۰۰ کیلومتر است. مسیر حرکت این ماهواره‌ها از غرب به شرق و همجهت با دوران زمین بدور خود است.

بدلیل نزدیکی فاصله این نوع ماهواره‌ها از سطح زمین، سرعت حرکت این ماهواره‌ها خیلی بیشتر از سرعت دوران زمین بدور خود است. گاهی سرعت این نوع ماهواره‌ها به ۲۷,۳۵۹ کیلومتر در ساعت نیز می‌رسد. با این سرعت، این نوع از ماهواره‌ها می‌توانند در هر ۹۰ دقیقه، یک دور کامل بدور زمین بگردند.

برخی از ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های سنجش از دور و ماهواره‌های جاسوسی از این نوع‌اند.

 ماهواره‌های مدار قطبی

ماهواره‌های مدار قطبی به نوعی از ماهواره‌هایی گفته می‌شود که مسیر مدار حرکت آنها عمود بر خط استوا و مسیر دوران از قطبهای شمال و جنوب می‌گذرد.

بعضی از ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های سنجش از دور و ماهواره‌های جاسوسی از این نوع‌اند.

 ماهواره‌های مدار زمین‌ایست

این در حالت کلی بروی مدار زمین‌ایست و بر بالای خط استوا، در فاصله ۳۳۶۰۰ کیلومتری از سطح زمین قرار داند.

این نوع ماهواره‌های در فضا در مکانی ثابت قرار دارند و همراه با دوران زمین بدور خود، می‌گردند و بدلیل همین ثبات دارای سایه‌ای ثابت (معروف به «جای‌پا») بر زمین هستند.

به مدار زمین‌هم‌زمان مدار زمین‌ایست و یا مدار کلارک نیز گفته می‌شود.

تمام ماهواره‌های مخابراتی و تلویزیونی از این نوع هستند.

ماهواره‌های مدار بیضوی

این ماهواره‌ها دارای مداری بیضوی هستند.

دو نقطه مهم از مدار این ماهواره‌ها نقطه اوج و نقطه حضیض آنها است: قسمتی که به سطح زمین نزدیک می‌شوند به نام نقطه حضیض نامیده می‌شود. قسمتی که از سطح زمین دور می‌شود به نام نقطه اوج نامیده می‌شود.

مسیر حرکت و دوران این نوع ماهواره مانند ماهواره‌های قطبی از سمت شمال به جنوب است.

چون اکثر ماهواره‌های مخابراتی در مدار زمین‌ایست قرار گرفته‌اند، این ماهواره‌ها هیچ پوششی بروی قطب‌های شمال و جنوب ندارند. به همین دلیل و جهت پوشش قطب‌ها از ماهواره‌های مدار قطبی استفاده می‌شود. در واقع این نوع از ماهواره‌ها شمالی‌ترین و جنوبی‌ترین قسمت نیمکره‌ها را پوشش می‌دهند.

کنکاشی در ماهیت " ماده ، فضا و زمان "

کنکاشی در ماهیت " ماده ، فضا و زمان " در جهان هستی واقعیت های زیادی وجود دارد که در مورد چیستی و ماهیت وجود آنها پاسخ روشن و قانع کننده ای داده نشده است . پاسخ های داده شده در بسیاری از موارد مبهم و بسیار پیچیده بوده و حتی برای فیزیکدانان برجسته هم قابل درک نیست . حال باید پرسید ،اگر فرضیه ای برای دانشمندان و حتی آیندگان هم قابل درک نباشد چقدر ارزش گفتن دارد؟ به عنوان مثال یکی از نظریات مطرح در مورد زمان این است:"زمان بعد چهارم ماده است"حال ما چگونه می توانیم این مطلب را درک کنیم و بفهمیم؟ زمانچه ربطی به بعد چهارم ماده دارد؟ چگونه است که سه بعد ماده با هم سنخیتی دارند و یک دفعه بعد چهارم آن هیچ سنخیتی و تشابهی با سه بعد دیگر ندارد و در عین حال در کنار آنهاست و بعد چهارم ماده است آیا این یک نظریه ی انحرافی در شناخت زمان نیست؟ چه کسی توانسته آن را بفهمد و برای خودش حل کند ؟ اگر منصفانه بنگریم، واقیت این است که در عالم فیزیک در بعضی موارد ، کشفیات و نتایجی به دست آمده که به صورت فرضیه و یا نظریه بیان شده است، حاصل محاسبات و پیشبینی های ریاضی،به ویژه بررسی و اقتباس هندسه مبهم نا اقلیدسی ،ریمان و گاوس بوده است که البته در جای خود صحیح و بسیار ارزشمند است. ولی در بعضی موارد کسانی که به این نتایج ،در بیان ماهیت و نحوه عمل و در نتیجه در تفسیر و توجیه کشفیات بدست آمده و نظریه سازی نتوانستند راه روشنی در پیش گیرند و نظریه ی درستی برای آنها بیان کنند وبه سوالات مطرح شده پاسخ قابل قبولی بدهند لذا با توجه به این مسائل به پاره ای از سوالات اساسی که در دانش فیزیک وجود دارد اشاره می کنیم و پاسخ آنهارا با توجه به نظریه خود بیان می کنیم 1- آیا یک ذره بی نهایت بار قابل تجزیه و تقسیم شدن است؟ برای وجود جهان هستی لازم و ضروری استکه یک ذره مطلق و غیر قابل تجزیه وجود داشته باشد چون اگر قرار باشد که ذرات بی نهایت بار قابل تجزیه و تقسیم شدن باشند،به صفر و هیچ می رسند و این از مسلملت پذیرفته شده دانش ریاضی است اگر چیزی را بی نهایت بار تقسیم کنیمبه صفر و هیچ می رسیم . آنگاه باید بپذیریم که جهان از هیچ به وجود آمده است واینغیر قابل قبول است چون نمی شود وجود جهان از هیچ باشد 2 - آیا ماده و فضا بی نهایت است؟ ماده و فضا نمی تواند بی نهایت باشد چون بینهایت را نمی تواند تقسیم کرد ، در حالی که ما می توانیم فضا را تقسیم کنیم مثلا بگوییم فضای سمت راست و فضای طرف چپ ما و یا یک متر مکعب از فضا را درنظر بگیریم. بینهایت نه قابل تقسیم است نه ابتدا و انتها دارد حال آنکه ما می توانیم یک نقطه از فضا را به عنوان ابتدا در نظر بگیریم و در این صورت اگر بگوییم انتهای آن در بینهایت است سخن باطلی گفته ایم چون داشتن ابتدا با قوانین حاکم بر بینهایت سازگار نیست. 3 -  آیا فضا تهی و از هیچ است؟ مسلما فضا تهی و از هیج نیست جون اولا درست است که فضا را مانند ماده نمی بینیم ولی وجود فضا رامی بینیم و وجود نمی تواند از هیچ باشد در ثانی اگر فضا تهی از هیچ است در ان صورت چه ضرورتی وجود دارد که جرم جسمی که در فضا حرکت می کند افزایش یابد اگر فضا از هیج بود منفعل عمل میکرد و جرم اجسام در حال حرکت را تغیییر نمی داد 4 - ماده وفضا از چه چیزی به وجود آمده اند؟ ماده و پاد ماده از یک نوع ذره مطلق و غیر قابل تجزیه به وجودآمده اند؛یعنی ذرات در حال سکون ویا کم تحرک،"فضا " به وجود آمده اند و ذرات در حال حرکت،"ماده" به وجود آمده است.این ذارت فاقد جرم هستند وجرم تنها با حرکت به وجود می آیند؛ جرم اجسام در حال سکون ناشی از حرکتی است که در داخل اجسام وجود دارد. با آن که گفتیم ماده و فضا و پاد ماده از یک نوع ذره به وجود آمده اند،اما به خاطر امکان تفکیک و سهولت در بحث، از این به بعد نام ذرات تشکیل دهنده فضا را "ذرات فضا" و نام ذرات تشکیل دهنده ماده را "ذرات ماده" و ذرات تشکیل دهنده پاد ماده را "ذرات پاد ماده" می خوانیم. 5 - چگونه می توان فضاپیمایی ساخت که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت کند؟ برای اینکه ما بتوانیم فضاپیمای بسازیم که در فضا با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت کند و از افزایش شدید جرمش جلو گیری شود، باید این فضاپیما را شبیه به بشقاب پرنده بسازیم که هم زمان با حرکت انتقالی ،حرکت تند وضعی نیز داشته باشد.اگر بشقاب پرنده واقعا وجود داشته باشد به نظر می رسد که شکل خاص آن و نیز نحوه حرکت آن؛برای جلوگیری از افزایش شدید جرمش در سرعت های بالا طرح ریزی شده است 6 -  چراحرکت وضعی فضاپیمایی که به شکل بشقاب پرنده ساخته می شود، مانع از افزایش شدید جرم آن در سرعت نزدیک به سرعت نور می شود؟ چون افزایش جرم فضاپیما ناشی از مقاومت ذرات فضا در مقابل فضاپیما است.اما وقتی فضا پیما مانند بشقاب پرنده می چرخد، مقاومت ذرات فضا در مقابل آن کمتر می شود که گویی آنها را کنار می زند. در واقع، موج و جریانی از ذرات فضا ایجاد می کند که فضاپیما بتواند در سرعت نزدیک به سرعت نور به حرکت خودش، بدون افزایش شدید جرم، ادامه بدهد. 7 - علت افزایش شدید جرم در سرعت های بالا چیست؟ قبلا عنوان کردیم که ذرات فضا از ذرات مطلق فاقد جرم به وجود آمده است و وقتی جسمی در فضا حرکت می کند ،این حرکت جسم موجب جابجایی ذرات فضا به صورت موج می شود، هر چقدر سرعت حرکت جسم تند تر باشد مقاومت ذرات فضا بیشتر می شود و در سرعت نور که آخرین حد جابه جایی ذرات فضا به صورت موج است(ودیگر فرصت جابه جایی به صورت موج برای ذرات فضا نیست)، اگر در این حال به جسم برای حرکت به جلو نیرو وارد کنیم ، ویی به کل عالم فشار وارد می کنیم. چون ذرات فضا درکنار هم هستند و نیز به دلیل این که کل عالم در داخل فضای دیگری نیست تا در آن جا به جا شود برای همین است که جرم جسم بی نهایت زیاد می شود به عنوان مثال وقتی سرعت هواپیما به سرعت صوت می رسد که آخرین حد جابه جایی ملکول های هوا به صورت موجی است ، مقاومت هوا در برابر آن شدیدا افزایش می یابد. البته هواپیما با سرعت بیشتر از سرعت صوت هم می تواند حرکت کند ، چون ذرات هوا را می شود فشرده تر کرد ، اما ذرات مثلا یک متر مکعب فضا را نمی شود فشرده تر کرد. در ضمن اضافه می کنم که ذرات فضا در داخل اجسام هم حضور دارند؛ یعنی حتی در داخل الکترون و پروتون هم هستند .لذا در موقع حرکت،جرم تمام ذرات موجود در داخل جسم و سطح جسم افزایش پیدا می کند. 8 -  زمان چیست؟ زمان مانند ماده و فضا ، وجود خارجی ندالد ؛ زمان یعنی تغییر موجود در ماده ، و از این تغییر و حرکت در مواد ، ذهن ما چیزی به نام "زمان"را ساخته است. زمان بعد چهارم ماده هم نیست. متذکر می شوم ، همانطور که از سقوط اجسام ،بر اثر نیروی جاذبه ، ذهن ما چیزی به نام بالا و پایین ساخته است ( در حالی که ر کل عالم ، بالا و پایینی وجود ندارد) و همینطور از تغییر و حرکت موجود در ماده، ذهن ما چیزی به نام زمان ساخته است. در ضمن اشاره می کنم که زمان ازلی و ابدی هم نیست؛ چون یک سر آن در حال است. بنابر این ازل آن نمی تواند در بینهایت باشد. زمان ابدی هم نخواهد بود و پایانی خواهد داشت؛ یعنی هر وقت که عمر مواد به پایان برسد زمان هم به پایان خواهد رسید همچنین تغییر زمان ناشی از افزایش جرم است؛ چون با افزایش جرم ، تغییر در ماده کند تر می شود 9 - نورهای مختلف چیستند؟ نورهای مرئی یا نامرئی با هر طول موجی که دارند، همه ناشی از موجی است که در دریایی ذرات فضا به وجود می آید . مثلا وقتی در بین پروتون ها برخورد و تنشی به وجود می آید، از برخورد ذرات ماده در پروتون ها با همو با ذرات فضای اطرافشان، موجی در دریای ذرات فضا ایجاد می شود که به آن موج نور می گوییند. البته در این برخورد ها تعدادی از ذرات موجود در پروتون ها به ذرات فضا تبدیل می شوند.در ضمن اشاره می کنم که نور جرمی ندارد و جرم آن ناشی از حرکت موجی در ذرات فضا است. 10 - جرم چیست؟ جرم ناشی از حرکت ذارت ماده است و وقتی با صرف نیرو جسمی را به حرکت انتقالی در می آوریم ، موج و جریانی از ذرات فضا در اطراف جسم به وجود می آید و آن جسم را به پیش می برد. ااین موج و جریان ذرات فضا،"جرم" نام داردکه در اطراف و داخل جسم به وجود می آید. وقتی اجسام ثابت هستند نیز جزم وجود دارد که آن جرم ناشی از حرکت ذرات ماده در خود جسم ایت؛ موج و جریان دیگر داز ذرات فضا در اطراف و داخل جسم به وجود آمده است که جرم اجسام را ثابت می سازد. 11 - موج و جریان ذرات فضا ، امکان چند نوع حرکت مدت دار را برای اجسام به وجود می آورد؟ دو نوع حرکت،یعنی حرکت مستقیم و حرکت وضعی .چون در فضا دونوع موج و حرکت به وجود می آید که یکی برای حرکت مستقیم اجسام است و دیگری برای حرکت وضعی اجسام و نیز برای ذراتی مانند پروتون و الکترون 12 - جاذبه و دافعه های الکتریکی ، مغناطیسی،جاذبه جرمی و مانند اینها از چیست؟ جاذبه ای که میان الکترون و پروتون وجود دارد بیشتر جاذبه ای است که از برخورد ذرات ماده هایشان به وجود می آید که در خلاف جهت هم می چرخند؛ و چون جرم پروتون زیاد تر است ، بر اثر برخورد ذره های پروتون با الکترون، باعث چرخش الکترون به دور پروتون می شود هر چقدر الکترون و پروتون از یکدیگر دورتر باشند جاذبه ی بین آنها بیشتر از موجی است که در دریای ذرات فضا ایجاد می کنند؛که این موج در مسیری شبیه به فنر رقاصک ساعت ایجاد می شود. جاذبه ای که در میان دو پروتون در داخل اتم وجود دارد،مثل جاذبه ی بین الکترون و پروتون نیست ، بلکه در واقع تمام پروتون های یک اتم، بیشتر شبیه به پروتون هستند یعنی همه با هم در داخل اتم می چرخند. اما هر پروتون یک حرکت وضعی کند تر هم در داخل اتم دارد و همچنان که یک پروتون متلاشی نمی شود ، آنها هم متلاشی نمی شوند و همه با هم تقریبا با سرعت چرخش ذرات ماده هایشان در داخل اتم با هم می چر خند. در این وضعیت، برخورد شدیدی بین ذرات ماده هایشان که جهت چرخششان یکسان است به وجود می آید؛ و دافعه شدیدی ایجاد می شود و آنگاه انرژی زیادی تولید می شود که به آن انرژی هسته ای می گویند. در پایان اشاره می کنم که جاذبه و دافعه مغناطیسی ناشی از ردیف شدن اتم ها است که در نتیجه موجهای جاذبه و دافعه شان نیز در جهت خاصی ردیف می شوند.