سرشت علم(۱۹): نمونه ی کاربردی – انرژی در دنیای اتم ها

یکشنبه, ۸ام مهر, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی نوزدهم:

نمونه­ ی کاربردی[۱] – انرژی در دنیای اتم­ ها[۲]

پیش از وُرود به مَبحثِ انرژی از منظرِ دنیایِ اتم­ ها لازم است که، با بکارگیریِ روش‌ هایِ علمی‌ و ابزار‌هایِ فنیِ‌ شناخت، تعریفی‌ موجز از انرژی داده شود. انرژی که در بسیاری موارد به سادگی‌ به ” تواناییِ‌ انجام­ کار[۳]” معروف است در واقع تجسمِ خارجی‌ نیرو‌های بنیادین طبیعت است. ابتدا بساکن تعریفِ این نیرو‌هایِ بنیادین مهم است.[۴]

گرانش یا جاذبه نیرویی است که بین هر دو جسمی‌ که جِرم دارند وجود دارد.

  • جاذبه همانگونه که از اسم­ اش پیداست همیشه نیرویی بهم ­گراینده[۵] یا جاذبه است.
  • توان یا قدرتِ نیروی جاذبه نسبتی مستقیم با جرمِ دو جسم و نسبتی معکوس با مجذورِ فاصله­ ی[۶] بین آن دو جسم دارد.
  • بدلیل آنکه ما بر روی جسمی‌ بسیار بزرگ (کره­ی زمین) با جرمی بسیار سنگین زندگی‌ می‌‌ کنیم می‌‌ پنداریم که نیروی جاذبه غالب ‌ترینِ نیروهاست اما در واقع این نیرو ضعیف‌ ترین نیروی بنیادین است و یک تریلیاردمِ یک تریلیاردمِ یک تریلیاردمِ نیروی بعدی که نیروی الکترومغناطیسی‌ است، بیشتر توانایی یا قدرت ندارد.
  • بهمین دلیل نیروی جاذبه اساساً هیچ نقشی‌ در ساختار و عملکردِ اتم‌ ها ندارد اگرچه در تولیدِ اتم‌ ها در ستارگان نقشی‌ اساسی‌ دارد.

نیروی الکترومغناطیسی‌ بین دو جسمِ باردار شکل می ‌‌گیرد.

  • از آنجا که دو بارِ مثبت و منفی‌ داریم نیرویِ الکترومغناطیسی‌ می‌‌ تواند بهم­ گراینده یا جاذبه (بین دو بارِ ناهمگون یا مختلف) و یا ازهم­ گریزنده یا دافعه (بین دو بارِ یکسان) باشد.
  • توان یا قدرتِ این نیرو نسبتی مستقیم با بار‌هایِ دو جسم و نسبتی معکوس با مجذورِ فاصله­ ی بین آن دو جسم دارد.
  • در ابعادِ انسانی نیرو‌های الکترومغناطیسی نیرو‌هایِ غالب در هرچیزی هستند که تجربه می ‌‌کنیم: از بهم­ پیوستگیِ اتم‌ ها تا کوه‌ ها و هر آنچه بین آنهاست، همه و همه با نیروهای الکترومغناطیسی‌ با هم در ارتباط و یا بهم متصل ­اند.
  • بهمین ­دلیل طرحِ مدار‌هایِ الکترونی[۷] و در نتیجه هرآنچه در شیمی‌ متجلی است پیامدِ درهم­ کنش‌ های الکترومغناطیسی‌ است.
  • آن ذرّه­ ای که وظیفه ­ی ارتباطاتیِ نیروی الکترومغناطیسی‌ را بر عهده دارد فوتون نامیده می‌‌ شود – که ما آن را به عنوانِ نور می‌‌ شناسیم و به نحوی بنیادین پدیده­ ای الکترومغناطیسی‌ است.

برخلافِ الکترومغناطیس و جاذبه، نیرو‌های هسته ­ای در ابعادی بسیار کوچک که در تناسب با هسته­ ی­ مرکزی اتم هستند کارکرد دارند.

  • نیرویِ هسته ­ای ضعیف نیرویی است که باعث واپاشی یا فروکاهیِ رادیوآکتیوِ بِتایی [۸] است و می‌‌ تواند در داخلِ پروتون یا نوترون جهت یا سویه ­ی کوآرک‌ها را (از رو به بالا بسوی پایین، و از رو به پایین بسوی بالا) تغییر دهد.
  • نیروی هسته ­ای ضعیف اغلب با نوترینو‌ها  سروکار دارد و تنها نیرویی است که آن ذرات تجربه می‌‌ کنند.
  • نیروی هسته ­ای ضعیف معمولا بوسیله ­ی بردار‌های میانجی­ گرِ بوزون[۹]  حمل می‌‌ شوند.
  • نیرویِ هسته ­ای قوی بر روی خصوصیاتِ کوآرک‌ ها تاثیر می ‌‌گذارد.
  • این نیرو که همیشه بهم­ گراینده یا جاذبه است باعث می‌‌شود تا کوآرک‌ ها در درونِ پروتون‌ ها و نوترون‌ ها حفظ شده و باقی‌ بمانند.
  • گلوئون‌ ها[۱۰] نیروی هسته­ ای قوی را حمل می‌‌ کنند.
  • نیرویِ بهم­ گراینده ­ی یا جاذبه­ ی جانبی ­ای که از نوترون ‌ها نشت می ‌‌شود[۱۱]، هسته ­ی­ مرکزی اتم را، در مقابلِ نیرویِ دافعه یا ازهم­ گریزنده­ ی الکترومغناطیسیِ‌ پروتون­ های با بارِ مثبتِ، بهم نگه ­داشته و حفظ می‌‌ کند.

این نیرو‌ها باعث پس ­و پیش شدن و حرکتِ ذرّات هستند که به شکلِ انرژی متجلی می‌‌ شوند.

  • انرژیِ آزاد نشده یا بالفعل­ نشده[۱۲] را انرژیِ پتانسیل می ‌‌نامیم؛ که شکلِ ذخیره ­شده­ ی تواناییِ‌ کارکردن است.
  • انرژیِ پتانسیلِ گرانشی یا جاذبه­ ای[۱۳] را می‌‌ توان به آبِ بالایِ آبشار تشبیه کرد که به محضِ سقوط از لبه­ ی آبشار قادر است توربین یا آسیابی آبی‌ را به حرکت درآورد.
  • انرژیِ پتانسیلِ الکترومغناطیسی[۱۴]‌ شبیه باطری است (که بار‌هایِ مثبت و منفی‌ آن جدا نگاه داشته­ شده) و به محضِ تماس باهم و به جریان ­افتادن، بالفعل می ‌‌شود.
  • موقعیتِ الکترون‌ ها در مدار‌هایِ اتمی‌ خود و چیدمانِ آنها هم نمونه­ ی دیگری از انرژیِ پتانسیلِ الکترومغناطیسی‌ است.
  • چیدمانِ ذرّاتِ هسته ­ای، که می‌‌ توانند درهم­ بگدازند[۱۵]  و یا ازهم­ شکافت یابند  و تولیدِ انرژی کنند، نمونه ­ای از انرژیِ پتانسیلِ هسته ­ای[۱۶] است.

انرژیِ در کُنش را انرژیِ جنبشی[۱۷] می‌‌ نامیم؛ که در واقع کار انجام می ‌‌دهد.

  • برای نمونه برخوردِ شهاب­ سنگی به زمین نمونه ­ای از انرژی گرانشی یا جاذبه ­ای زمین است.
  • انرژیِ الکترومغناطیسی‌ به شکلِ نور مجسم می‌‌ شود و در سفر است.
  • انرژی هسته ­ای اغلب در واپاشی یا فروکاهیِ رادیوآکتیوی و یا در درهم­ گدازی نمایان می ‌‌شود.
  • گرما شکلی‌ از انرژی است که در حرکتِ اتم‌ ها و ملکول‌ ها مجسم می‌‌ شود.

برخی‌ واحد‌های انرژی شناخته شده­ ترند و بعضی‌ دیگر (در ابعادِ اتمی‌) نیاز به تعریف دارند. (نگاه کنید به پی ­نوشت ی)

  • واحدِ بنیادین انرژی در سیستم مِتریک ژول[۱۸]  نامیده شده است و مصرفِ ۱ ژول در ثانیه معادل با ۱ وات  قدرت (توان) شمرده می‌‌ شود.
  • کالری (یا کیلو کالری) هم واحدِ دیگری است؛ و برایِ افزایشِ حرارتِ ۱ درجه­ی سانتیگراد ۱ کیلوگرم آب به ۱ کیلو کالری انرژی نیاز داریم.
  • در ابعادِ بسیار کوچکِ اتمی‌ واحدِ انرژی الکترون ­ولت[۱۹]  نامیده شده است.
  • حرکتِ ۱ الکترون از یک قطبِ باطریِ ماشین به دیگر قطبِ آن معادل ۱۲ الکترون ­ولت است.
  • واکنش‌ های شیمیایی‌ معمولی‌ اغلب چند الکترون­ ولت برای هر ملکول مصرف می‌‌ کنند.
  • الکترون‌ ها در هر اتمی‌، با چند ده تا چند هزار الکترون ­ولت انرژی، به هسته­ ی­ مرکزی پیوند دارند (متصل هستند.)
  • ساده ‌ترین واکنش‌ هایِ هسته­ ای میلیون‌ ها الکترون ­ولت انرژی رها می‌‌ کنند.

ساختارِ اتم­ ها، جدول تناوبی عناصر و همه ­ی علمِ شیمی‌ متکی‌ بر سطوحِ مختلفِ انرژی ­ای هستند که الکترون ‌ها در اتم‌ ها دارند.

  • مدلِ اتم بوهر قدرتِ توضیحی بسیار زیادی در این زمینه دارد اما باید تنها به عنوانِ یک الگو مطالعه شود.
  • مدار‌های بدورِ هسته ­ی­ مرکزی در هر اتمی دارای سطوحِ مختلف انرژی هستند و نمایشگر توان یا قدرتِ پیوند الکترون‌ های آن مدار به هسته ­ی­ مرکزی اتم خود هستند.
  • هر یک از مدار‌ها (از مدارِ ۱ یعنی‌ نزدیک‌ ترین به هسته­ ی مرکزی بطرف بیرون) زیرسطح‌ هایِ انرژی ­ای[۲۰] خود را دارند. مدار ۱، یک زیرسطح؛ مدار ۲، دو زیرسطح؛ و به همین ترتیب ادامه دارد.
  • هر یک از زیرسطح­ ها، تنها می‌‌ تواند تعدادِ مشخصی‌ از الکترون‌ ها را در خود جای دهد.

نحوه­ ی چیدمان جدول تناوبی عناصر شیمیاییِ‌ مندلیف در واقع نشان می ­دهد که زیرسطح ‌ها چگونه با الکترون پر می­ شوند.

  • چیدمانِ الکترونیِ‌ بیرونی‌ ترینِ مدار[۲۱] چگونگیِ‌ درهم­ کنشِ اتم‌ ها را با یکدیگر توضیح می ‌‌دهد.
  • اتم‌ های عناصر چیده­ شده در یک ستونِ جدول چیدمان الکترونیِ‌ مشابهی‌ در بیرونی‌ ترین مدارِ خود دارند و نتیجتاً عملکردِ شیمیایی‌ آنها یکسان است.
  • سهیم­شدن الکترون‌ ها مابینِ اتم­ ها و یا شریک­ شدنِ توزیعِ نامتقارنِ بار‌های الکتریکی‌ بین آنها منجر به بوجودآمدن ملکول‌ ها می‌شود.
  • اندازه­ ی توان یا قدرتِ جاذبه­ ی هسته­ ی ­مرکزی اندازه­ ی مدارِ الکترونی‌ را تعیین می‌‌ کند؛ هرچه بار هسته ­ای بزرگ ­تر باشد مدارِ درونی‌ کوچک ­تر است.

جهشِ الکترون‌ ها از مداری به مداری دیگر موجبِ جذب و یا گسیل ­­شدن[۲۲] (ارسال و برون­ فرستی) نور می‌‌ شود.

  • جهش هر الکترونی‌ به مداری پایین ­تر موجبِ بیرون فرستادن یا برون ­فرستی فوتونی می ­شود که انرژی ­ای برابر با تفاوتِ انرژی دو سطحِ مداری دارد.
  • جهش هر الکترونی به سطحی (مداری) بالاتر باعثِ جذبِ فوتونی می ‌‌شود که انرژی ­ای برابر با تفاوتِ انرژیِ دو مدار دارد.

ساختارِ هسته­ ی­ مرکزی  اتم هم سطوحِ انرژی ­ای شبیه به خودِ اتم‌ دارد.

  • کوآرک‌ها  در درونِ پروتون‌ ها و نوترون­ ها بدلیلِ ردوبدل شدن[۲۳] و تبادلِ گلوئون‌ ها (که حاملِ نیرویِ هسته­ ای قوی هستند) محصور هستند.
  • چیدمانِ مجدد خودانگیخته­ یِ[۲۴] ذرّاتِ هسته ­ای به واپاشی یا فروکاهیِ رادیوآکتیوی و به بوجودآمدنِ ایزوتوپ‌ هایی‌ با نیم ­عمر‌های مختلف ( که برای تاریخ گذاری یا عمرسنجی مواد موردِ استفاده هستند) منجر می‌‌ شود.
  • تغییرِ سطوحِ انرژی در پروتون ‌ها و نوترون‌ ها به جذب و یا به رهاسازی[۲۵] فوتون­ ها منجر می ‌‌شود.

پی­نوشت ی

واحد‌های اندازه­گیری رایج[۲۶]

همه­ ی مقادیر فیزیکی‌ می ‌‌توانند بوسیله­ ی ترکیبی‌ از سه واحد بنیادین ( Fundamental Unit) اندازه­ گیری شوند: درازا، زمان، و جرم.

آموزش و درک واحد‌های اندازه­ گیری که در علم فیزیک تحلیل بعدی(Dimensional Analysis) نامیده می ‌‌شود بسیار سودمند است. دانشمندان حوزه­ ی علوم اما در مواردی مقادیر متفاوتی را برای بیان واحد‌های اندازه ­گیری مورد استفاده قرار می ‌‌دهند.

برای نمونه در زندگی‌ روزمره ما بسادگی برای بیان زمان؛ ثانیه، دقیقه، ساعت، روز و غیره را بکار می ‌‌بریم .

دانشمندان علم معمولا ثانیه و یا سال را برای اندازه­ گیری زمان استفاده می‌‌ کنند. یک سال حدودا ۳.۱۶ x ۱۰۷ ثانیه است (که برخی‌ فیزیکدان‌ ها برای آموزش و ساده سازی آن را به عدد پی(‌π  (ضربدر ۱۰۷ خلاصه می‌‌کنند. )

درازا، مسافت یا طول اغلب با واحد متر اندازه گیری می‌‌ شود و بدلیل نامعلومی دانشمندان علم اغلب واحد ( ۱۰۲ ) را بکار می ‌‌گیرند.

در فیزیک نجومی که مسافت‌ ها بسیار طولانی هستند کیلومتر یا سال نوری( Light Year )  اغلب بکار گرفته می ‌‌شود. هر سال نوری، مسافتی است که نور در یک سال طی‌ می‌‌کند که برابر با ۹.۵ x ۱۰۱۲ کیلومتر است (که نزدیک به ۱۰۱۳ کیلومتر است.) گاهی‌ نیز فیزیکدان‌ ها (بدلیلی که برای من روشن نیست) واحد پارسک  ( Parsec ) که برابر با سه سال نوری است (دقیقا ۳.۱ x ۱۰۱۳ کیلومتر) بکار می‌‌ گیرند.

جرم ( Mass ) اغلب با واحد گرم و گاهی‌ کیلوگرم اندازه­ گیری می ‌‌شود . برخی‌ دچار این اشتباه هستند که واحد جرم در سیستم غیرمتریک ( Non Metric ) پوند ( Pound – Lb ) است در صورتیکه چنین نیست. پوند واحد وزن ( Weight ) است که از جرم متفاوت است. وزن برای بیان نیروی گرانش یا جاذبه مورد استفاده است. جسمی‌ که بر روی کرهٔ­ ی زمین وزنی برابر با یک پوند دارد (۴۵۴ گرم) در مداری خارج از کرهٔ­ی زمین و یا بر کرهٔ ­ای دیگر وزنی متفاوت دارد، اما جرم آن جسم کماکان ۴۵۴ گرم است.

انرژی واحدی برابر با سرعت به توان ۲ ضربدر جرم ( M x c۲ ) دارد که سرعت با واحد مسافت تقسیم بر زمان ( m /s ) اندازه­ گیری می ‌‌شود.

اگرچه ما می ‌‌توانیم انرژی را با سه واحد دیگر اندازه­ گیری کنیم، اما فیزیکدان‌ ها واحد مستقل ارگ ( erg ) را ساخته ­اند. هر ارگ برابر است با یک گرم ( gram) ضربدر یک سانتیمتر به توان ۲(  cm۲)، تقسیم بر یک ثانیه به توان ۲ ( ۱/s۲ ).

واحد دیگر برساخته­ ی فیزیکدان‌ها ژول ( joule ) است که برابر با ۱۰۷ ارگ است. در فیزیک ذره ­ای ( Particle Physics ) واحد مورد استفاده الکترون ولت ( electron volt – eV)نامیده شده که برابر است با ۱.۶ x ۱۰-۱۲ ارگ.

در واقع الکترون ولت مقدار انرژی ­ای است که هر الکترون با گذر از یک ولت پتانسیل الکتریکی‌ کسب می ‌‌کند. برای نمونه میزان انرژی برای پیوند یک الکترون به اتم هیدروژن ۱۳.۶ الکترون ولت ( ۱۳٫۶ eV ) محاسبه شده است.

از آنجا که درجه­ ی حرارت، میانگین انرژی جنبشی ذرات در مواد را بیان می‌‌کند، نیازی به واحدی مجزا برای اندازه­ گیری دما یا درجه­ ی حرارت نداریم اما کماکان فیزیکدان ‌ها معمولان واحد کلوین ( Kelvin ) را که با انرژی مطابقت دارد بکار می‌‌ گیرند و هر کلوین برابر با ۱.۲ x ۱۰۴ الکترون ولت ( Ve1.2 x 10۴ ) است.

هنگامیکه ذرات کاملا در سکون و ثابت هستند، هیچگونه انرژی جنبشی نداشته و درجه­ ی حرارت آنها صفر مطلق (Zero Absolute  ) شمرده می ‌‌شود. هر درجه­ ی کلوین برابر با یک درجه­ ی سانتیگراد است اگرچه درجه ­بندی جدولی متفاوت دارند و صفر کلوین برابر با -۲۷۳ درجه­ی سانتیگراد است. هر درجه­ی کلوین ۱.۸ درجه­ ی فارنهایت است و صفر مطلق کلوین با -۴۶۰ درجه­ ی فارنهایت مطابق است.

———————

[۱]

همانگونه که در دیباچه ی کتاب زیر آمد، در میان بخش‌ های به هم مرتبط این کتاب، یاداشت‌ ها و نوشته‌ هایی‌ با عنوان­ های “نمونه‌ های کاربردی” قرارگرفته­ اند که در بیشتر موارد به جنبه‌ های اجرایی و به سرمشق‌ های پیاده­ سازی و به نمونه‌ های کاربردی موضوع ‌های علمی‌ می ‌‌پردازند.

[۲]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۳]

ability to do work

[۴]

Lichtenberg, D. The Universe and the Atom. Hackensack, NJ: World Scientific, 2007.

[۵]

attractive

[۶]

square of the distance

[۷]

pattern of electron orbits

[۸]

radioactive beta decay

[۹]

intermediate vectors – boson

[۱۰]

gluons

[۱۱]

residual attractive force leaking from neutrons

[۱۲]

unrealized energy

[۱۳]

gravitational potential energy

[۱۴]

electromagnetic potential energy

[۱۵]

در مواردی (fusion) را در فارسی جوش­ هسته  ­ای ترجمه کرده­ اند. جوش­ هسته ­ای می ­تواند ترجمه­ ی درستی‌ برای (nuclear fusion)باشد اما نه برای(fusion) .

[۱۶]

nuclear potential energy

[۱۷]

kinetic energy

[۱۸]

Joules and watt

[۱۹]

electron volt

[۲۰]

energy sublevels

[۲۱]

outermost orbit

[۲۲]

emission

[۲۳]

exchange

[۲۴]

spontaneous rearrangement

[۲۵]

release

[۲۶]

برای دریافت نیاز‌های ابزاری و شناخت ابعاد و مقیاس‌هایی‌ که در این کتاب بدان‌ها پرداخته شده، نگاه کنید به:

http://htwins.net

————————————————————–

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

بخش ۱۱ این نوشته

بخش ۱۲ این نوشته

بخش ۱۳ این نوشته

بخش ۱۴ این نوشته

بخش ۱۵ این نوشته

بخش ۱۶ این نوشته

بخش ۱۷ این نوشته

بخش ۱۸ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.