آشنایی با فیزیک حالت جامد (2)

[Borna66]

حالت جامد یکی از گسترده‌ترین شاخه‌های فیزیک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%DB%8C%D8%B2%DB%8C%DA%A9) است. این شاخه درباره‌ی چگونگی تشکیل مواد با در نظر گرفتن تمام جزییات حاکم بر طرز قرار گرفتن اتمها (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%AA%D9%85) بحث می‌کند. خواص فیزیکی هرگونه جسم فیزیکی (فلز و یا غیر فلز)، مورد بحث این شاخه است.
در بحث حالت جامد،اجسام به چهار دسته تقسیم می شوند:



رسانا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B1%D8%B3%D8%A7%D9%86%D8%A7)
نیمرسانا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D9%85%D8%B1%D8%B3%D8%A7%D9%86%D8%A7)
نارسانا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%A7%D8%B1%D8%B3%D8%A7%D9%86%D8%A7)
ابر رسانا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%A8%D8%B1_%D8%B1%D8%B3%D8%A7%D9%86%D8%A7)

بدلیل آشنا بودن مفاهیم بالا از توضیحات اضافی در این باره صرف نظر می شود.


قدیم ترها به فیزیک ماده چگال، فیزیک حالت جامد (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%DB%8C%D8%B2%DB%8C%DA%A9_%D8%AD%D8%A7%D9%84% D8%AA_%D8%AC%D8%A7%D9%85%D8%AF) نیز گفته می‌‌شد اما حتماً می‌‌دانید که چرا این اسم دیگر کاربرد زیادی ندارد! شاید بشود گفت فیزیک ماده چگال گسترده‌ترین شاخه فیزیک است. حدود 60% دانش جویان دکترای فیزیک در این گرایش تحصیل می‌‌کنند. زیاد نیست؟ شاخه‌های فیزیک ماده چگال
فیزیک ماده چگال شامل دو شاخه‌ فیزیک ماده چگال سخت (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%81%DB%8C%D8%B2%DB%8C%DA%A9_%D9 %85%D8%A7%D8%AF%D9%87_%DA%86%DA%AF%D8%A7%D9%84_%D8 %B3%D8%AE%D8%AA&action=edit), فیزیک ماده چگال نرم (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%DB%8C%D8%B2%DB%8C%DA%A9_%D9%85%D8%A7%D8%AF% D9%87_%DA%86%DA%AF%D8%A7%D9%84_%D9%86%D8%B1%D9%85) است, در بعضی تقسیم‌بندی‌ها زیست‌فیزیک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B2%DB%8C%D8%B3%D8%AA%E2%80%8C%D9%81%DB%8C%D8%B 2%DB%8C%DA%A9) هم زیرشاخه‌ای از فیزیک ماده چگال حساب می‌شود.

بیشتر شما با کلمه چگالی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%86%DA%AF%D8%A7%D9%84%DB%8C) آشنا هستید. نسبت جرم به حجم مواد! اما ماده با چگالی بیشتر یا ماده چگال تر ماده‌ای است که در حجم مشخصی از آن جرم بیشتری داشته باشیم.

اما این به معنی این نیست که فیزیک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%DB%8C%D8%B2%DB%8C%DA%A9) ماده چگال صرفاً به بررسی چیزهایی مثل سرب می‌‌پردازد!
راستش فیزیکدانها در اوایل قرن 20 تنها می‌‌توانستند مسأله‌های مربوط به گازها (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%AF%D8%A7%D8%B2) را حل کنند. در واقع حل کردن مسایلی که در آنها تعداد زیادی ذره دخیل هستند خیلی سختتر از مسایلی است که در آنها با یک یا دو ذره سر و کار داریم. برای یک ذره با استفاده از قوانین نیوتن به راحتی می‌‌شود مسأله را حل کرد. اما تصور کنید بخواهیم سه حرکت حدود یک مول گاز که 10به توان 23 مولکول دارد را با استفاده از معادلات نیوتن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D9%88%D8%AA%D9%86) حل کنیم! مطمئنا از پس این کار بر نمی‌آییم.

کاری که فیزیکدانها همیشه کرده‌اند و می‌کنند تقریب زدن است. در اوایل قرن 20 با چشم پوشی از چیزهایی مثل بر هم کنش بین مولکولها و کامل فرض کردن گازها راه حلهایی برای بررسی مسأله گازهای رقیق ارائه شده است اما خوب با باقی مسائل چه باید می‌‌کردیم...
کم کم تلاش برای پاسخ دادن به این سوال منجر به ایجاد شاخه جدید در فیزیک شد. فیزیک ماده چگال یعنی فیزیک بررسی موادی که دیگر آنقدر رقیق نیستند که بشود از برهم کنش بین ذرات آن‌ها صرف نظر کرد. البته مهم‌ترین مثال برای این جور مسائل، مسائل مربوط به جامدات (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D8%A7%D9%85%D8%AF) و به ویژه فلزات (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%D9%84%D8%B2) هستند.

چیزهایی مثل انبساط (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%A8%D8%B3%D8%A7%D8%B7) و انقباض (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D9%82%D8%A8%D8%A7%D8%B6)، رسانایی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B1%D8%B3%D8%A7%D9%86%D8%A7%DB%8C%DB%8C)، ظرفیت گرمایی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B8%D8%B1%D9%81%DB%8C%D8%AA_%DA%AF%D8%B1%D9%85% D8%A7%DB%8C%DB%8C)، هدایت الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%87%D8%AF%D8%A7%DB%8C%D8%AA_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) و ... شناخته شده بودند اما راه حل و مدل قابل قبولی برای آنها ارائه نشد...امروز فیزیک ماده چگال دیگر جواب این سوالها را داده است اما جواب دادن به یک سوال باعث ایجاد چند سوال جدید می‌‌شود و به همین دلیل دامنه فیزیک ماده چگال بسیار گسترده شده است. ماده چگال کاران تجربی این روزها بیشتر در حال بررسی خواص مغناطیسی مواد (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%AE%D9%88%D8%A7%D8%B5_%D9%85%D8 %BA%D9%86%D8%A7%D8%B7%DB%8C%D8%B3%DB%8C_%D9%85%D9% 88%D8%A7%D8%AF&action=edit) و بحث ابر رسانایی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D8%A8%D8%B1_%D8%B1%D8%B3%D8 %A7%D9%86%D8%A7%DB%8C%DB%8C&action=edit) هستند. چطور می‌‌شود ابر رساناها در دماهای (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AF%D9%85%D8%A7) بالاتر پیدا کرد؟

فیزیک‌پیشه‌های ماده چگال نظری نیز بعضاً دنبال پیدا کردن مدلی برای پدیده‌های مشاهده شده در زمینه‌های ابررسانایی، انتقال امواج و (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%85%D9%88%D8%A7%D8%AC) غیره اند... البته شاخه نسبتاً جدیدتری از فیزیک ماده چگال که به فیزیک ماده چگال نرم (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%DB%8C%D8%B2%DB%8C%DA%A9_%D9%85%D8%A7%D8%AF% D9%87_%DA%86%DA%AF%D8%A7%D9%84_%D9%86%D8%B1%D9%85) مشهور شده است به بررسی مسایلی مربوط به سیستم‌هایی با برهم کنش غیر قابل صرف نظر بین اجزاء آن می‌‌پردازد که دیگر ساختار منظم و بلوری (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D9%84%D9%88%D8%B1) ندارند. شاید مهم‌ترین مثالها مایعات (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D8%A7%DB%8C%D8%B9%D8%A7%D8% AA&action=edit) باشند اما این تعریف آنقدر گسترده است که می‌‌شود گفت فیزیکدانان ماده چگال نرم امروزه تقریباً همه کار می‌‌کنند! از بررسی روابط اجتماعی تا بررسی شبکه‌های عصبی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B4%D8%A8%DA%A9%D9%87%E2%80%8C%D9%87%D8%A7%DB%8 C_%D8%B9%D8%B5%D8%A8%DB%8C)... از بررسی ساختار پروتئین‌ها (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%D8%B1%D9%88%D8%AA%D8%A6%DB%8C%D9%86) و دی‌ان‌ای (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AF%DB%8C%E2%80%8C%D8%A7%D9%86%E2%80%8C%D8%A7%D B%8C) تا پیش‌بینی رفتار قیمت سهام (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%87%D8%A7%D9%85&action=edit) شرکت ها... همه اینها سیستم‌هایی هستند که بین ذرات بسیار زیادشان بر هم کنش بسیار بالایی وجود دارد این شاخه از فیزیک ماده چگال کمتر به بخش تئوری یا تجربی تقسیم می‌‌شود و البته بیشتر کارها بر مبنای شبیه سازیهای (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B4%D8%A8%DB%8C%D9%87_%D8%B3%D8 %A7%D8%B2%DB%8C&action=edit) کامپیوتری انجام می‌‌شود.

از وکی پدیا (http://fa.wikipedia.org/) دانشنامهٔ آزاد.

[Borna66]

ساختمان اتم:





تمام اتمهای عنصرهایی که در طبیعت یافت می شوند بین 1 تا 92 پروتون دارند.همچنین تمام این اتم ها به جزء هیدروژن دارای تعدادی نوترون هستند که هسته ها را در برابر نیروهای دافعهء میان پروتون ها حفظ کرده اند.


تعداد پروتون های موجود در هستهء اتم را عدد اتمی و تعداد کل ذرات هسته را((مجموع پروتونها و نوترونها را عدد جرمی می نامیم.


در یک اتم خنثی تعداد پروتونها و الکترونها با هم برابر است.


عنصر ماده ای است که تمام اتمهای سازندهء آن تعداد پروتونهای یکسانی دارند.


اتمهایی از یک عنصر که تعداد پروتنهای یکسانی دارند اما تعداد نوترونهایشان متفاوت است ایزوتوپ می نامند.





رادیواکتیویته – تابش از هسته ی اتم



پدیدهء رادیواکتیویته ((پرتو زایی)) در سال 1896 میلادی توسط دانشمندی به نام ((هانری بکرل)) کشف شد.


او در حال بررسی پرتوهای ایکس ناشی از اورانیوم بود که تابش جدیدی را یافت.


اتم های اورانیوم رادیواکتیو بودند و می توانند حتی در تاریکی بر روی صفحات عکاسی اثر بگذارند.



اورانیوم اولین عنصری بود که بعنوان عنصر رادیواکتیو کشف شد اما بزودی یک عنصر فعالتر جدید ((رادیوم)) توسط ماری کوری و همسرش پی یرکوری کشف شد.


انواع تابشهای رادیواکتیو





تابشهای رادیواکتیو به 3 دسته آلفا((α)) و بتا((β)) و گاما((ﻻ)) تقسیم میشوند.


برخی از مواد رادیواکتیو هر سه نوع پرتو را گسیل می کنند.





در جدول زیر شما جنس ماده ای که پرتو را متوقف می کند مشاهده می کنید.





ماده مورد نیاز برای توقف پرتو


نوع تابش


یک برگ کاغذ یا لایهء هوا به ضخامت 3 سانتی متر


آلفا


ورقه آلومینیومی به ضخامت 3 میلیمتر


بتا


صفحه ی سربی به ضخامت 3 سانتی متر


گاما



رابطهء بین شدت نفوذ - آلفا < بتا < گاما –





پرتوهای رادیواکتیو از کجا ناشی می شوند؟





منشاء تابش رادیواکتیو در داخل اتم یعنی هستهء اتم می باشد.


هسته یک اتم رادیواکتیو ناپایدار است و می تواند ناگهان شکافته شود و ذرات و پرتوهایی با سرعت بسیار زیاد


تولید کند.





یونیزاسیون توسط تابش






وقتی که ذرات رادیواکتیو به سرعت در هوا حرکت می کنند می توانند الکترونهای برخی از اتمها را جدا کنند


این کار را ذرات آلفا بهتر انجام می دهند. زیرا خیلی سنگین تر از الکترونها هستند و بارشان مثبت است.


ذرات بتا و گاما از ذرات آلفا خیلی سبکتر هستند (ولی نفوذ ذرات بتا و گاما از ذرات آلفا بیشتر است)



وقتی که پرتو وارد بدن ما می شود اتمها را یونیزه می کند و موجب بروز تغییرات شیمیای می گردد.


ذرات آلفا بیشترین صدمه ها را ایجاد می کنند زیرا قدرت یونیزگی زیادی دارند و یونهای زیادی را در یک مسیر کوتاه ایجاد می کنند و همچنین قدرت نفوذ پرتوهای گاما و بتا بیشتر است زیرا در مسیرشان یونهای کمتری تولید می کنند و انرژی خود را در زمان بیشتری مصرف می کنند.





اتم های اورانیوم ناپایدارند و در طی زمان متلاشی می شوند.


اما همهء آنها در یک لحظه متلاشی نمی شوند.ما نمی توانیم بگوییم که کدام اتم در حل متلاشی شدن است


واپاشی یک اتم رادیواکتیو یک نوع بازی شانسی است که در طبیعت رُخ می دهد.


برای درک بهتر مطلب به این مثال توجه کنید.


درون ماهیتابه ای روغن بریزید و روی اجاق حرارت دهید سپس دانه های ذرت را به آن اضافه نمایید.


شما نمی توانید حدس بزنید که در چه لحظه ایی یک دانهء ذرت مشخص به هوا پرتاب می شود.


این امر کاملا اتفاقی می باشد.


وقتی که اورانیوم متلاشی می شود به مادهء دیگری تبدیل می شود که خواص دیگری دارد.





نیمه عمر



در یک عنصر رادیواکتیو میلیونها اتم وجود دارد که در اثر پرتوزایی اتمهای آنها به حالت پایدار می رسد.


در ابتدا تعداد اتم هایی که فعالیت پرتوزایی دارند بسیار زیاد است و با مرور زمان تعداد اتم های فعال(اکتیو) که هنوز تجزیه نشده اند کمتر می شود.


بعد از مدتی اکتیویته کاهش می یابد و اتم های فعال باقی مانده خیلی کندتر متلاشی می شوند.


زمان طول عمر تقریبا نا محدود است ولی هر نمونه رادیواکتیو دارای یک نیمه عمر است.


مدت زمانیکه بعد از گذشت آن نصف اتم ها متلاشی می شوند نیمه عمر نام دارد.





گرمای ناشی از رادیواکتیویته – شکافت هسته ای








از نوع خاصی از اورانیوم ((اورانیوم235)) در نیروگاههای هسته ای استفاده می شود.


گرما وقتی تولید می شود که هر یک از اتمهای اورانیوم به دو قسمت تقسیم شوند که این فرایند را شکافت هسته ای می نامند. وقتی که یک ذرهء نوترون به درون هسته نفوذ می کند دراین حالت هسته ناپایدار می شود و شکافت هسته ای رُخ می دهد که در این فرایند انرژی قابل توجهی تولید می گردد.





از این گرما در نیروگاههای هسته ای برای تولید گرما و تبدیل آب به بخار استفاده می شود.


(البته شایان ذکر است که این فقط گوشه ای از صد ها کاربرد از فن آوری هسته ای می باشد)







بمب اتمی



وقتی که شکافت هسته ای رُخ می دهد بیش از 3 نوترون از درون اتم آزاد می شود.


این نوترونها وارد 3 هستهء دیگر می شوند به همین ترتیب هسته ها شکافته می شوند که 9 نوترون جدید آزاد می شود و به همین ترتیب این کاردنبال می شود و یک واکنش زنجیره ای بسیار سریع شروع شده و اورانیوم متلاشی می گردد.


این فرایند همان چیزی است که در یک بمب اتم رُخ می دهد و منجر به انفجار بسیار عظیم می گردد.





با وجود اینکه مواد رادیواکتیو انرژی بسیار زیادی را تولید می کنند بطوریکه هر یک کیلو گرم از مواد رادیواکتیو انرژی معادل با صدها تُن زغال سنگ و یا سوختهای فسیلی دارد باید به نکاتی در مورد خطرات استفاده از این فن آوری کاملا توجه داشت.


اورانیوم و سایر مواد رادیواکتیو که در نیروگاههای هسته ای استفاده می شوند بسیار خطرناک می باشند این مود می توانند پخش شوند و پرتوهای رادیواکتیو را در جو پراکنده کنند.


همچنین آنها ضایعات رادیواکتیوی تولید می کنند که دفع آنها مشکل می باشد و باید فرایندهایی خاص به روی پس مانده های هسته ای صورت بگیرد و بعد از آن دفع گردند.








تابش رادیواکتیو چه اثری می تواند به روی بدن ما داشته باشد؟




لحظه ای بعد از انفجار بمب های اتمی بروی هیروشیما و ناکازاکی که در سال 1945 میلادی رُخ داد تابش بسیار شدیدی تولید شد.





بلافاصله بعد از انفجار مردمی که در معرض این تابش بودند در اثر شدت گرما و موج حاصل از انفجاراز بین رفتند.





آنهایی که از شدت تابش و صدای انجار جان سالم به در بردند مقدار (دُز) زیادی از تابش را دریافت کردند که موجب شد به بیماری تابشی مبتلا بشوند. بیماری تابشی موجب تب شدید و اسهال و استفراغ و در نتیجه خشک شدن آب بدن بیماران شد و آنها نیز در مدت چند روز از بین رفتند.





دستهء سوم آنهایی بودند که تابش کمتری دریافت کرده بودند از تب و اسهال و استفراغ در امان بودند ولی چون در برابر بیماری معمولی نیز مقاومت نداشتند تابش به سلولهای مغر استخوان آنها آسیب رساند و در نتیجه گلبولهای سفید خون را که توسط مغز استخوان تولید می شود از بین برد لذا زخمها و سوختگی آنها ترمیم نیافت



انرژی ذرات رادیواکتیوی در صورتیکه توسط بدن جذب شود می تواند موجب بروز بیماریهایی نظیر سرطان خون و آب مروارید و انواع دیگر سرطان و نازایی شود.


صدمات ناشی از ذرات آلفا و نوترونها تقریبا 10 برابر صدماتی است که توسط پرتوهای بتا و گاما بر بدن وارد می شود.





اثرات ژنیتیکی





تابش های رادیواکتیو می توانند سلولهای بدن را از بین ببرند و یا اثرهای نامطلوبی بر جای بگذارند.


تابش ها می توانند هستهء سلول ها را تغییر دهند.


اگر این سلول ها مربوط به جنین باشد تغییراتی می کنند که ممکن است بچه بصورت غیر طبیعی بدنیا بیاید.


فقط تابش مستقیم رادیواکتیو نیست که موجب بروز اثرهای ژنیتیکی می شود بلکه زیاد بودن تابش رادیواکتیو در اطراف ما نیز چنین موارد غیر طبیعی را بوجود می آورد.

[Borna66]

یکاهای اصلی در SI








نماد


نام


کمیت


kg


کیلوگرم


جرم


s


ثانیه


زمان


a


آمپر


جریان الکتریکی


k


کلوین


دمای ترمودینامیکی


mol


مول


مقدار ماده


cd


شمع


شدت روشنایی


m


متر


طول








SIتعدادی از یکاهای فرعی در



یکاهای فرعی یکاهایی هستند که از یکاهای اصلی بدست می آیند.





نماد


نام


کمیت


HZ


هرتز


بسامد


N


نیوتون


نیرو


Pa


پاسکال


فشار


J


ژول


انرژی و کار


C


کولن


بار الکتریکی


W


وات


توان


F


فاراد


ظرفیت


S


زیمنس


رسانایی


Wb


وبر


شار مغناطیسی


V


ولت


نیروی محرکهءالقائی


H


هانری


القا


Ω


اُهم


مقاومت الکتریکی


T


تسلا


میدان مغناطیسی

[moo2010]

سلام
اگه ممکنه جواب سوال من رو بدید:255:
چرا جسم رسانای باردار تمایل داره الکترون ها رو در سطح خودش پخش کنه و چرا الکتورنها در نقاط نوک تیز تجمع می کنن .:287: