تحقیق رایگان

سایت علمی وپژوهشی اسمان

تحقیق در مورد كانيها

 

كاني ماده‌ي طبيعي، غيرآلي، بلوري و جامد است كه در تركيب سنگ‌هاي پوسته‌ي زمين يافت مي‌شود. برخي كاني‌ها از يك عنصر خالص و بسياري از آن‌ها از دو يا چند عنصر درست شده‌اند. در هر صورت، كاني‌ها تركيب شيميايي معيني دارند.

واژه‌ي كاني از واژه‌ي فارسي كان گرفته شده است كه در زبان عربي به آن معدن گفته مي‌شود. بنابراين، كاني به ماده‌اي گفته مي‌شود كه به طور طبيعي از معدن(كان) به دست مي‌آيد و معدن بخشي از پوسته‌اي زمين است كه در آن‌جا به اندازه‌ي چشم‌گيري، كاني يافت مي‌شود. موادي مانند شيشه، چيني، آلياژ‌هاي گوناگون، كه انسان‌ آن‌ها را ساخته است، و موادي مانند مرواريد صدف، استخوان، عاج و بسياري ديگر، كه جان‌داران مي‌سازند، كاني نيستند.

ويژگي‌هاي كاني‌ها

كاني‌ها چيزهاي همگني هستند؛ يعني، ويژگي‌هاي فيزيكي و شيميايي همه‌ي ذره‌هاي سازنده‌ي آن‌ها، يكسان است. براي مثال، اگر يك قطعه هاليت(نمك خوراكي) را به ذره‌هاي بسيار كوچكي بشكنيم، همه‌ي ذره‌هاي به دست آمده، مزه‌ي شوري دارند، به سادگي در آب حل مي شوند و ديگر ويژگي‌هاي نمك را نشان مي‌دهند.

كاني‌ها مواد بلوري و جامدي هستند؛ يعني، ذره‌هاي سازنده‌ي آن‌ها بر اساس نظم و قانون معيني كنار هم قرار گرفته‌اند؛ به نحوي كه، همه‌ي سطح‌هاي بيروني يك كاني، صاف است. شكل بلوري و منظم كاني‌ها از آرايش اتم‌ها و مولكول‌هاي دروني آن‌ها ناشي مي‌شود.

هر كاني تركيب شيميايي ثابتي دارد. براي مثال، پيريت هميشه FeS₂ و كلسيت CaCO₃ همواره است. البته، در برخي كاني‌ها ممكن است نسبت برخي عنصرها تغيير كند. براي مثال، در كاني الوين( FeMgSiO₄ ) ممكن است درصد آهن و منيزيم از بلوري به بلوري ديگر، از صفر تا صد درصد تغيير كند.

برخي كاني‌ها، مانند طلا، از يك عنصر درست شده‌اند. البته، طلا كم‌تر به صورت خالص يافت مي‌شود. بلورهاي مكعبي و زرد رنگ طلا، اگر با نقره همراه باشند، روشن‌تر و اگر با مس همراه باشند، قرمزتر به نظر مي‌رسند. بسيار از كاني‌ها از دو يا چند عنصر متفاوت هستند كه با هم مخلوط شده و ماده‌ي مركبي به وجود آورده‌اند. براي مثال، فراوان‌ترين كاني، يعني كوارتز، تركيبي از سيليسيم و اكسيژن است.

شكل‌گيري كاني‌ها

كاني‌ها از پيوندهاي گوناگون بين اتم‌هاي عنصرها به وجود مي‌آيند. تا كنون 92 عنصر در طبيعت شناسايي شده است. از بين اين 92 عنصر طبيعي، 8 عنصر اكسيژن، سيليسيوم، آلومينيوم، آهن، كلسيم، سديم، پتاسيم، و منيزيم، حدود 5/98 درصد كاني‌ها را مي‌سازند. از تركيب‌شدن اين عنصرها با هم، كاني‌ها گوناگوني به وجود مي‌آيد. براي مثال، از تركيب شدن اكسيژن با سيليسيوم، اكسيد سيليسيوم SiO₂ (كوارتز) و از تركيب‌شدن اكسيژن، سيليسيوم، منيزيم و آهن، الوين( FeMgSiO₄ ) به دست مي‌آيد.

كاني‌ها علاوه بر اين كه از نظر تركيب شيميايي با هم تفاوت دارند، از نظر شكل ظاهري، رنگ، اندازه و ديگر ويژگي‌ها نيز تفاوت‌هاي زيادي با هم دارند. اين تفاوت‌ها از چگونگي شكل‌گيري آن‌ها برمي‌خيزد. برخي كاني‌ها از سرد شدن ماده‌ي مذاب به دست مي‌آيند. همه‌ي كاني‌هاي سنگ‌هاي آذرين، مانند كوارتز، فلدسپات، ميكا و الوين، اين گونه به وجود مي‌آيند.

برخي ديگر از كاني‌ها از سرد شدن بخار در سطح سنگ‌ها يا شكاف‌هاي موجود در آن‌ها به وجود مي‌آيند. سرد شدن گاز گوگرد در قله‌هاي آتش‌فشاني دماوند و تفتان، نمونه‌اي از اين فرايند است. كاني‌ها ديگري از بخار شدن محلول‌هايي به وجود مي‌ايند كه به اندازه‌ي اشباع رسيده‌اند. براي مثال، از بخار شدن آرام‌ درياچه‌هاي مركزي ايران، نمك و گچ به دست مي‌آيد.

برخي كاني‌ها از واكنش‌هاي شيميايي يون‌ها در آب به وجود مي‌آيند. براي مثال، در درياهاي گرم، يون كلسيم(⁺² Ca) با يون كربنات(⁺CO₃²)تركيب مي‌شود و كاني كلسيت(CaCO₃) ته‌نشين مي‌شود. برخي كاني‌ها نيز پيامد تخريب شيميايي كاني‌ها ديگر هستند. براي مثال، از تجزيه‌ي شيميايي فلدسپات‌ها، كاني‌هاي رستي(كاني‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي خاك) به وجود مي‌آيند.

شناسايي كاني‌ها

زمين‌شناسان براي شناسايي كاني‌ها از روش‌هاي گوناگوني، مانند رنگ‌ شعله، طيف نوري، ميكروسكوپ‌هاي پلاريزان، ميكروسكوپ الكتروني و پرتو ايكس، بهره مي‌گيرند.

رنگ‌شعله. در اين روش تكه‌اي از كاني يا پودر آن را روي شعله نگه مي‌دارند و با دستگاهي به آن مي‌دمند. با تغيير رنگي كه در شعله پديد مي‌آيد، مي‌توان برخي از كاني‌ها را شناسايي كرد. سديم رنگ زرد، پتاسيم رنگ نارنجي، منيزيم رنگ قرمز، كلسيم رنگ نارنجي، باريم رنگ سبز مايل به زرد و مس رنگ سبز درخشان، به وجود مي‌آورد.

طيف نور. در اين روش مقدار اندكي از يك كاني را در دستگاهي، كه با جرقه‌ي الكتريكي و در فشار زياد كار مي‌كند، قرار مي‌دهند تا كاني بخار شود. در اين حالت، اتم‌هاي عنصرهاي سازنده‌ي كاني، طول موج ويژه‌اي توليد مي‌كنند كه پس از عكس‌برداري مي‌توان با كمك آن‌ها به عنصرهاي سازنده‌ي كاني پي ‌برد.

ميكروسكوپ پلاريزان. در اين روش، ضخامت يك قطعه سنگ را كه داراي كاني‌هاي گوناگون است، به اندازه‌اي كم مي‌كنند تا شفاف شود و نور از آن بگذرد. سپس آن را زير ميكروسكوپ پلاريزان بررسي مي‌كنند. اكنون از روي شكل ظاهري، نوع شكستگي، ضريب شكست نور، رنگ و ديگر ويژگي‌ها، كاني را شناسايي مي‌كنند.

ميكروسكوپ الكتروني. لايه‌ي نازكي از كاني را با اين ميكروسكوپ مطالعه مي‌كننند. باريكه‌ي الكتروني به كاني برخورد مي‌كند و بخشي از آن به كاني جذب مي‌شود كه سايه‌اي از كاني روي صفحه‌ي ويژه‌اي به وجود مي‌آورد. بررسي اين سايه از نظر شكل ظاهري، شكستگي‌ها و ساختمان دروني كاني‌ها، به شناسايي كاني مي‌انجامد.

پرتو ايكس. اين روش در شناسايي كاني‌ها، به‌ويژه كاني‌هايي كه تركيب شيميايي مشابهي دارند، بسيار كارآمد است. پرتوهاي ايكس را به بلور كاني مي‌تابانند. بخشي از اين پرتوها از كاني مي‌گذرد و بخشي پس از برخورد با ذره‌هايي كه در گوشه‌هاي شبكه‌ي بلور كاني قرار دارند، بازتاب مي‌يابد. با برسي عكس به دست آمده از اثر اين پرتوها بر فيلم عكاسي، مي‌توان كاني مورد نظر را شناسايي كرد.

شناسايي كاني‌هاي آشنا

به كمك ويژگي‌هاي فيزيكي و شيميايي كاني‌ها، مي‌تـوان به روش‌هاي ساده‌تري برخي از كاني‌هاي بسيار شناخته شده را شناسايي كرد.

شكل بلور. اندازه‌ي بلورها ممكن است بسيار بزرگ يا بسيار كوچك باشد. در حالي كه وزن كاني بريل ممكن است تا 200 تن هم برسيد، برخي كاني‌ها تنها با پرتوهاي ايكس ديده مي‌شوند. شكل كاني‌ها نيز بسيار گوناگون است. با وجود اين، زاويه‌هاي بين سطح‌هاي مشابه در همه‌ي بلورهاي يك كاني همواره يكسان است. براي مثال، بلور نمك، چه بزرگ و چه كوچك، همواره مكعبي شكل است و بين سطح‌هاي خود، زاويه‌ 90 درجه دارد.

سختي. دانشمند اتريشي به نام فردريش موهس(1839-1773) مقياسي براي درجه‌ي سختي كاني‌ها وضع كرد. مقياس او از درجه‌ي يك براي تالك(نرم‌ترين كاني) تا درجه‌ي 10 براي الماس (سخت‌ترين كاني) است. بر اساس اين مقياس، سختي ناخن انسان، 5/2، سكه‌ي مسي 5/3 و چاقوي فولادي قلم‌تراش، 5/5 است. اكنون با توجه با اين كه در اثر كشيدن اين چيزها بر سطح كاني، در آن خراش ايجاد مي‌شود يا نه، سختي كاني را اندازه مي‌گيرند و با توجه با سختي، كاني را شناسايي مي‌كنند.

رَخ(كليواژ). رخ به شكستگي كاني‌ها در راستاي سطح صاف، پس از وارد شدن ضربه‌اي شديد، مانند ضربه‌ي چكش، گفته مي‌شود. ميكا در يك جهت مي‌شكند و ورقه ورقه مي شود؛ كوارتز خورد مي‌شود؛ نمك خوراكي رخ سه جهتي قائم و كلسيت رخ سه جهتي غير قائم دارد.

رنگ. برخي كاني‌ها هميشه به يك رنگ ديده مي‌شوند. براي مثال، طلا همواره زرد، مالاكيت، گرافيت هميشه سياه و مالاكيت به رنگ سبز فيروزه‌اي است. رنگ را بايد در سحي كه به تازگي شكسته شده است، مشاهده كرد. زيرا هوازدگي رنگ سطح رويي را تغيير مي‌دهد.

اثر بر چيني بدون لعاب. در اين روش كاني را بر چيني بدون لعاب( پشت نعلبكي بخشي كه لعاب ندارد) مي‌كشند تا لايه‌ي نازكي از آن بر سطح چيني بماند. كاني‌هاي نافلزي اثر بي‌رنگ يا به رنگ روشن دارند و كاني‌هاي فلزي رنگ‌هاي تيره‌تري پديد مي‌آورند. براي مثال، كاني زرد رنگ پيريت، رنگ سياه برجاي مي‌گذارد و اثر هماتيت، كه بيش‌تر به رنگ خاكستري و ساه است، قرمز قهوه‌اي ديده مي‌شود.

جلا. جلو يا درخشندگي سطح كاني نيز در شناسايي آن سودمند است. كاني‌هاي فلزي نور را به‌خوبي بازمي‌تابانند و به اصطلاح جلاي فلزي دارند. هاليت و كوارتز، جلاي شيشه‌اي و اوپال و اسفالريت، جلاي صمغي دارند.

چگالي(جرم‌حجمي). براي به دست آوردن چگالي كاني‌ها، جرم آن‌ها را با ترازو و حجم را با استوانه‌ي درجه‌بندي شده داراي آب، اندازه مي‌گيرند تا با تقسيم كردن جرم بر حجم، چگالي كاني به دست آيد. چگالي بيش‌تر كاني هاي سيليكاتي، كه بخشي زيادي از پوسته‌ي زمين را مي‌سازند، حدود 5/2 تا 5/3 گرم بر سانتي‌متر مكعب است. كاني‌هايي كه در ساختمان خود عنصرهاي سنگيني مانند سرب و باريوم دارند، داراي چگالي بالايي هستند. براي مثال، چگالي گالن(PbS)، حدود 5/7 گرم بر سانتي‌متر مكعب است.

 

 

نام‌گذاري كاني‌ها

بيش‌تر كاني‌ها نام‌هاي كهني دارند و اثر واژگان يوناني و رومي را بر خود دارند. برخي كاني‌ها نيز به نام كاشفشان يا براي سپاس‌گذاري از كوشش‌هاي دانشمندان بزرگ نام‌گذاري شده‌اند. به‌طور كلي نام كاني‌ها به روش‌هاي زير برگزيده شده است:

1. نام برخي كاني‌ها بسيار كهن است و هنوز دليل ناميده شدن به چنين نام‌هايي را به‌درستي نمي‌دانيم؛ مانند كوارتز.

2. نام برخي از كاني‌ها از نام كاشفشان گرفته شده است؛ مانندكووليت از كوولي، كاني‌شناس ايتاليايي.

3. نام برخي كاني‌ها از نام جايي گرفته شده كه نخستين‌بار در آن‌جا پيدا شده‌اند؛ مانند آرگونيت از آرگون در اسپانيا.

4. برخي كاني‌ها نام‌هاي افسانه‌اي دارند؛ مانند مارتيت از مارس(خداي جنگ).

5. نام برخي كاني‌ها از تركيب شيميايي آن‌ها گرفته شده است؛ مانند سيدريت از سيدروس به معناي آهن.

6. نام برخي از كاني‌ها از ويژگي‌هاي فيزيكي آن‌ها گرفته شده است؛ مانند باريت از باروس به معناي سنگين.

7. نام برخي از كاني‌ها از نوع كاربرد آن ها گرفته شده است؛ مانند نفريت از نفرون كليه‌ها، زيرا اين كاني براي درمان آسيب‌ها كليه سودمند است.

8. نام برخي از كاني‌ها از رنگ آن‌ها گرفته شده است؛ مانند الوين به معناي كاني سبز زيتوني.

9. برخي كاني‌ها نام محلي دارندكه جنبه‌ي جهاني پيدا كرده است؛ مانند كرندوم و سافير كه نام هندي اين كاني‌هاست.

كاني‌هايي با نام‌هاي ايراني

1. بيرونيت( Birunite ): سيليكات كلسيم و كربنات كلسيم آب‌دار

اين كاني در سال 1957 ميلادي كشف و به افتخار دانشمند ايراني، ابوريحان بيروني نام‌گذاري شد تا بزرگ‌داشتي بر پژوهش‌هاي وي درباره‌ي كاني‌ها و سنگ‌ها باشد.

2. آويسنيت( Avicennite ): اكسيد تاليوم و آهن

اين كاني در سال 1958 ميلادي كشف شد و به افتخار دانشمندايراني، ابن سينا، نام‌ گذاري شد. ابن سينا نخستين طبقه‌بندي كاني‌ها را در كتاب شفا آورده است.

3. تالمسيت( Talmessite ): آرسنات آب‌دار كلسيم، منيزيم و باريوم)

اين كاني را باريان و هرپن در سال 1960 در معدن قديمي تالمسي در كنار دهي به همين نام در انارك يزد كشف كردند و نام اين معدن را بر آن گذاشتند. اين كاني ويژگي فاوئورسان دارد و رنگ آن بي‌رنگ تا سبز مي‌شود.

4. ايرانيت( Iranite ): كرومات سرب آب‌دار

اين كاني را باريان و هرپن در سال 1963 در يكي از معدن‌هاي قديمي سه‌برز در شمال غربي انارك كشف كردند و نام ايرانيت را بر آن نهادند. اين كاني زرد زعفراني و داراي جلاي شيشه‌اي، در پيرامون نايبندان نيز يافت مي‌شود.

5. خونيت( Khuniite ): كرومات سرب، روي و مس

اين كاني را اديب و اتمان در سال 1970 ميلادي در معدن قديمي خوني در شمال انارك كشف كردند. اين كاني به كاني ايرانيت شباهت زيادي دارد، اما رنگ زرد آن به قهوه‌اي گرايش دارد.

6. اناركيت( Anarakite ): كلريد بازي روي و مس

اين كاني را اديب و اتمان در سال 1972 در انارك كشف كردند و نام همين بخش را بر اين كاني سبز رنگ نهادند.

7. خادميت( Khademite ): سولفات بازي و آب‌دار آلومينيوم

اين كاني را باريان، برتلون و صدرزاده در ساغند يزد كشف كردند و به افتخار نصرالله خادم، رياست آن زمان سازمان زمين‌شناسي ايران، نام‌گذاري كردند.

طبقه‌بندي كاني‌ها

طبقه‌بندي كاني‌ها ممكن است برپايه‌ي چگونگي شكل‌گيري آن‌ها انجامشود. بر اين اساس، آن‌ها را به كاني‌هاي ماگمايي، رسوبي و دگرگوني طبقه‌بنديمي‌كنند. روش ديگر براي طبقه‌بندي كاني‌ها، توجه به تركيب شيميايي آن‌هاست كه دراين‌جا مورد توجه است.

1. سليكات‌ها: از تركيب شدن سيليسوم، اكسيژن و يك يا چند فلز به دست مي‌آيند. به دو دسته‌ي سيليكات‌هاي تيره(داراي آهن و منيزيم) و سيليكات‌هاي روشن(بدون آهن و منيزيم) تقسيم مي‌شود. الوين، پيروكسين، آمفيبول، ميكاي سياه، تورمالين، تالك، سرپانتين و آزبست، نمونه‌هايي از دسته‌ي نخست، كوارتز، فلدسپات، ميكاي سفيد و كائولينيت، نمونه‌هايي از دسته‌ي دوم هستند.

2. سولفات‌ها: از تركيب شدن اكسيژن، گوگرد و يك يا چند فلز به دست مي‌آيند. حدود 150 كاني از اين گونه وجود دارد كه انيدريت، ژيپس، باريت و آلونيت از آن‌ها هستند.

3. كربنات‌ها: از حل شدن دي‌اكسيدكربن در آب باران، اسيدكربنيك به دست مي‌آيد و اين اسد يون بي‌كربنات را به وجود مي‌آيورد. از تركيب شدن اين يون با يون‌ها مثبت فلزي، حدود 70 گونه كاني كربناتي به وجود آمده است. كلسيت، دولوميت، منيزيت، سيدريت، اسميت‌ سونيت، سروزيت و مالاكيت از آن‌ها هستند.

4. فسفات‌ها: از تركيب شدن فسفر، اكسيژن و يك يا چند فلز به دست مي‌آيند. آپاتيت و فيروزه نمونه‌هايي از اين دسته هستند.

5. هاليدها: تركيب‌هاي گوناگوني از هالوژن‌ها، يعني كلر، فلئور، برم و يد با يك فلز هستند. هاليت، سيلويت و فلئوريت از اين دسته‌اند.

6. سولفيدها: تركيبي از گوگرد با يك فلز هستند. بيش از 200 نوع سولفيد در طبيعت پيدا شده كه گالن، پيريت، اسفالريت وكالكوسيت از آن‌ها هستند.

7. اكسيدها: از تركيب شدن اكسيژن با يك فلز به دست مي‌آيند. يخ، هماتيت، مانيتيت، ليمونيت و كورندوم از اين دسته‌اند.

8. عنصرها: از بين همه‌ي عنصرهايي كه در زيمن پيدا مي‌شود، فقط حدود 20 عنصر به صورت خالص مي‌تواند سازنده ي كاني باشند. طلا، نقره، مس، كربن و گوگرد از اين دسته‌اند.

كاربرد كاني‌ها

كاني‌ها در آغاز به همان صورت كه از پوسته‌ي زمين به دست مي‌آمدند، به كار مي‌رفتند. برخي از اين كاني‌ها كه بلورهاي ظريف و پايدار در برابر فرسايش داشتند، پس از صيقل‌كاري و تراش خوردن، به عنوان آرايش به كار مي‌رفتند. به اين كاني‌ها سنگ‌هاي قيمتي يا جواهر مي‌گوييم. الماس، فيروزه، ياقوت كبود، زمرد، زبرجد، لعل، چشم گربه، عقيق، مرواريد، و درّكوهي از مهم‌ترين كاني‌هاي گران‌بها هستند.

از زماني كه بشر به فن‌آوري ذوب كردن فلز، قالب‌ريزي و توليد آلياژ دست يافت، كاربرد كاني‌ها نيز گسترش يافت. امروزه بيش از 40 نوع كاني و صدها تركيبي كه از آن‌ها به دست مي‌آيد، در صنعت كاربرد دارند. در ادامه به برخي از اين كاربردها اشاره مي شود.

اليوين: جواهر و مواد ديرگداز

پيروكسن‌ها: جواهر، به دست آوردن فلزهاي كمياب

آمفيبول‌ها: جواهر، پارچه‌ي مقاوم به آتش و مواد ديرگداز

ميكاها: عايق الكتريكي در راديو، تلويزيون و ديگر دستگاه‌هاي الكتريكي، شيشه‌ي دريچه‌ي كوره‌هاي ذوب فلز، كاغذ ديواري، لاستيك‌سازي، كاغذ معمولي، رنگ‌روغن نسوز، طلق سماور و چراغ آشپزخانه

تورمالين: الكترونيك، به دست آوردن بُر، جواهر

تالك: كاغذسازي، نساجي، لاستيك سازي، صابون خياطي، صفحه كليد برق، سراميك‌سازي، حشره‌كش، عايق پشت‌بام، پودر بچه و مواد آرايشي

سرپانتين: سنگ‌ روكار ساختمان، مواد ديرگداز، به دست آوردن منيزيم

آزبست: پارچه‌ي نسوز، توري چراغ، عايق حرارتي، لنت ترمز، لوله و ورقه‌هاي سيماني. كاربرد آن به دليل نقش آن در بروز بيماري در شش‌ها، ممنوع شده است.

كوارتز : ساعت‌سازي، ابزارهاي نوري و اخترشناسي، كاغذ، شيشه، سمباده و جواهر

ارتوزها: لعاب چيني و كاشي

پلاژيوكلازها: جواهر و نماي ساختمان

كائولينيت: ظرف چيني، كاغذ، رنگ‌ و پلاستيك

ژيپس: ساختمان‌سازي، مجسمه‌سازي، كاغذ، كند‌كننده در سيمان پورتلند، افزايش باروري خاك، بتونه‌ي نقاشي و براي رشد مخمرها در صنعت غذا.

باريت: دارو، عكس‌برداري از لوله‌ي گوارش، رنگ، پلاستيك، مواد عايق، كاغذ و گل حفاري

كلسيت: سنگ نماي ساختمان، مجسمه‌سازي، سيمان، تصفيه‌ي آب، شيشه‌سازي، چرم‌سازي، ابزارهاي نوري براي ايجاد نور پلاريزه، كاغذ سازي، كشاورزي و ذوب فلزها

دولوميت: ساختن آجر براي آستر كوره‌هاي حرارتي و سيمان پورتلند

منيزيت: آجر نسوز، به دست آوردن منيزيم

زرنيخ: پزشكي، رنگ‌سازي، حشرهكش و تهيه‌ي ارسنيك

آپاتيت: كودهاي شيميايي و اسيدفسفريك

مالاكيت: مواد آرايشي، نماي دروني ساختمان و تهيه‌ي مس

هاليت : سديم و كلر، شوينده‌ها، پارچه بافي، چوب‌بري، رنگرزي، چرم‌سازي، كودسازي، نگهداري مواد غذايي و خنك كننده‌ي موتور يخچال

سيلويت: به دست آودرن پتاسيم و كلر و كود شيميايي

فلوئوريت: ذوب فلزها و ابزارها نوري

گوگرد: اسيدسولفوريك، لاستيك‌سازي، نساجي، دباغي، رنگ‌سازي، كاغذسازي، مواد منفجره، كبريت‌سازي، سم دفع آفت، كود و حشره‌كش

طلا: جواهر، سكه، دندان، ترانزيستورها و ديودها، هواپيماسازي، صنعت فضا وكاتاليزور فرايندهاي شيميايي

نقره: جواهر، سكه، كاغذسازي و كاتاليزور فرايندهاي شيميايي

مس: صنعت الكتريكي و الكترونيك، لوله‌سازي، سكه، ظرف، آلياژ، رنگ آب و سبز، آبكاري، مواد آرايشي، فرايندهاي شيميايي و محلول شوايتزر(حلال سلولز پنبه)

الماس: جواهر، ابزار برنده و سايند و سرمته‌ي حفاري

گرافيت: ساختن بوته‌ي كوره‌هاي فولادسازي، رنگ‌سازي، صنعت برق، نيروگاه‌هاي هسته‌اي، واكس و مدادسازي

از بسياري از كاني‌ها نيز فلزهاي مهمي به دست مي‌آيد يا در فرآيند توليد فلز به كار مي‌روند:. سيدريت، مانيتيت، هماتيت و ليمونيت(آهن)، اسميت سونيت و اسفالريت(روي)، سروزيت و گالن(سرب)، كالكوسيت، كالكوپيريت و كوپريت(مس).

 

منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنید
اين مطلب در تاريخ: پنجشنبه 18 دی 1393 ساعت: 9:17 منتشر شده است
برچسب ها : تحقیق در مورد كانيها,ويژگي‌هاي كاني‌ها,شكل‌گيري كاني‌ها,شناسايي كاني‌ها,شناسايي كاني‌هاي آشنا,نام‌گذاري كاني‌ها,كاني‌هايي با نام‌هاي ايراني,كاربرد كاني‌ها,

 

تحقیق رایگان

سایت علمی و پژوهشی اسمان

تحقیق درباره لرزه نگاري

زمينلرزهعبارت از لرزشهاي قابل اندازه گيري سطح زمين است که توسط امواج حاصل ازرها شدن ناگهاني انرژي در درون زمين بوجود مي‌آيد. آثار سطحي زمين لرزه ممکن است بهصورت صدمه به سازه‌ها ، گسلش و حرکت پوسته ،نشست زمينو آبگونگي ، گسيختگي دامنه‌ها درخشکي و دريا و سرانجام ايجاد امواج در محيطهاي آبي باشد. علمي که به بررسي زمينلرزه و پديده‌هاي مربوط به آن مي‌پردازد لرزه شناسي يا لرزه نگاري (Seismology) نامدارد.

تاريخچه لرزه نگاری

علاقه بشر به لرزه شناسي سابقه طولاني دارد، به نحوي که در بعضياز کشورها داده‌هاي مربوط به زمين لرزه‌ها از زمانهاي دور ضبط شده است. به عنوانمثال چينيها سابقه زمين لرزه‌هاي تا 2 هزار سال پيش خود را در دست دارند. اينگونهسوابق عمدتا متکي بر مشاهدات و شرح وقايع است.

نخستين داده‌هاي علمي دربارهزمين لرزه‌ها از اواخر قرن 18 ، که اولينلرزهنگارها درست شدند، در دست است. در کشور ما اولين فعاليتهاي مربوط به ثبتاطلاعات مربوط به زمين لرزه‌ها از سال 1336 و با افتتاح اولين ايستگاه لرزه نگاريدر شيراز آغاز شد. در سال 1339 نيز موسسه ژئوفيزيک دانشگاه تهران آغاز به کار کرد.

 

ايستگاه لرزه نگاري چیست

يکايستگاه لرزه نگاريداراي چندين دسته دستگاهو هر دسته داراي 3 لرزه نگار است. توصيف دقيق دامنه حرکت زمين محتاج اندازه گيريلرزشها در سه مولفه عمود بر هم (قائم - شرقي - غربي و شمالي - جنوبي) است. علاوه برآن نياز به دستگاههايي داريم که براي محدوده‌هاي متفاوتي از زمان تناوب طراحي شدهباشند. زيرا هيچ دستگاهي به تنهايي نمي‌تواند کل محدوده حساسيت مورد نياز را ثبتنمايد (معمولا يک دسته از دستگاهها به زمان تناوب 0.2 تا 2 ثانيه حساس بوده و دستهديگر به زمان تناوب 15 الي 100 ثانيه حساس اند).

ايستگاههاي لرزه نگاري درجهيک ايران (شش مولفه‌اي) در شهرهاي شيراز ، مشهد ، تبريز و تهران قرار گرفته‌اند کهزير نظر موسسه ژئوفيزيک دانشگاه تهران اداره مي‌شوند. علاوه بر اينها ايستگاههاييدر کرمانشاه ، بيرجند و کرمان نيز تاسيس شده و چند ايستگاه نيز در حال راه اندازياست. علاوه بر موسسه ژئوفيزيک برخي از دانشگاهها وسازمان انرژي اتمي ايراننيز در ثبت وگردآوري داده‌هاي لرزه خيزي فعاليت دارند.

ثبت امواج زمین لرزه

ثبت و ضبط دامنه امواج زلزله توسط لرزه نگاره (Seismograph) صورت مي‌گيرد. بخشي از اين دستگاه که موج را دريافت مي‌کند لرزه سنج نام داشته و درداخل سنگ نصب مي‌شود. اين قسمت منتهي به يک آونگ است. در زمان لرزش زمين پايهدستگاه حرکت مي‌کند، در حالي که آونگ ثابت باقي مي‌ماند و به اين ترتيب حرکت نسبيزمين نسبت به آونگ سنجيده مي‌شود. در دستگاههاي جديدتر ، ثبت حرکات به صورتالکتريکي - مکانيکي صورت گرفته و در نوار مغناطيسي ثبت مي‌شود. در اين دستگاهها ثبتلرزشها بطور مداوم صورت مي‌گيرد.

 

لرزه نگاشت چیست

اوراق حاوي نتايج ثبت شده دامنه حرکات زمين لرزه نگاشت نامدارد. لرزه نگاشتها اغلب صفحات سياه و دود اندودي‌اند که آثار حرکت سوزن به صورتخطوط سفيدي به روي آنها ثبت شده است. بزرگي يک زمين لرزه را مي‌توان از رويبزرگترين دامنه ثبت شده در لرزه نگاشت تعيين کرد. فاصله بينمرکززمين لرزه و لرزه نگار با توجه به زمان ورود امواج P و S و L تعيين مي‌شود و بامقايسه نتايج حاصل از چند ايستگاه محل منشا گرفتن امواج مشخص مي‌شود.

لرزهنگارها حساس تر از آنند که بتوانند اطلاعاتي که مستقيما قابل استفاده در طراحيزلزله است، بدست دهند. در نتيجه زمين لرزه‌هاي شديدي که نزديک يک لرزه نگار عادي بهوقوع مي‌پيوندد باعث خارج شدن قلم ثبات از مقياس و حتي صدمه به خود دستگاه مي‌شود. از طرفي براي حذف اثرات محلي خاکها يا ساخت سنگي تضعيف شده ، معمولا لرزه نگارها درسنگ بستر قرار داده مي‌شوند. از اينرو نتايج ثبت شده نمي‌تواند اطلاعاتي در مورداينگونه مصالح بدست دهند.

شتاب نگار (شتاب سنج- لرزه نگار)

نوعي از لرزه نگارها که براي تعيين حرکت شديد زمينبکار مي‌روند شتاب نگار ياشتاب سنجنام دارند. هدف از استفاده از شتابنگار حرکات شديد ، دستيابي به نحوه پاسخ زمين در ناحيه‌اي است که طراحي ديناميکيسازه‌ها مورد نظر است. اين دستگاه سه مولفه شتاب مطلق زمين را براي مدت زماني از 0.1 تا 3 يا 4 و حتي 10 ثانيه ثبت مي‌کند. شتاب نگارها بطور دائم کار نمي‌کنند بلکهبه گونه‌اي طراحي شده‌اند که پس از آنکه تحت تاثير يک حرکت افقي کوچک قرار گرفتندآغاز به کار کنند

محل استقرار اغلب شتاب نگارها ، سطح زمين (و نه الزاماسنگ بستر) است. از اينرو تعيين رابطه بين داده‌هاي مربوط به محلهاي مختلف مشکل است،مگر آنکه شرايط سطحي در هر محل شناخته شده باشد. شتاب نگاشتها شتاب زمين را ثبتمي‌کنند. در کشور ما شتاب نگارهايي در محل سدها و سازه‌هايي پراهميت ديگر نصب شدهاست. اين شتاب نگارها عمدتا توسط مرکز تحقيقات ساختمان و مسکن وزارت مسکن و شهرسازينصب و قرائت مي‌شوند.

سازمان انرژي اتمي ايران و چند موسسه ديگر نيز شتابنگارهايي را در برخي نقاط مورد نظر نصب کرده‌اند. تحت پوشش قرار دادن يک ناحيه بطورکامل مستلزم نصب شبکه‌اي از شتاب نگارها در نقاط با شرايط زمين شناسي متفاوت است. اين دستگاهها معمولا تا شعاع 50 کيلومتري مرکز يک زمين لرزه حساسيت خود را حفظمي‌کنند.

لرزه نما (Seismoscopes)چیست

امروزه علاوه بر لرزه نگار و شتاب نگار ،دستگاههايي به ناملرزه نمانيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد. لرزه نماها براي بازسازي تاثيرهاي حرکت زمين به روي سازه و بر حسب جابجايي در يکزمان معين و نه مقادير مولفه‌هاي حرکت زمين ، طراحي شده‌اند. لرزه نماها دستگاههاييبه مراتب ارزانتر از شتاب نگار مي‌باشند.

 

 

 

 

کالب زني دستگاههاي لرزه نگاري

سيگنال هاي لرزه اي که در يک ايستگاه لرزه نگاري ثبت مي شوند با حرکت واقعي زمين تفاوت دارند. لرزه نگارها به استثناي لرزهنگارهاي فيدبکي که پاسخ دامنه و فاز تخت دارند، مانند يک فيلتر عمل مي کنند و محتواي سيگنال هاي لرزهاي را تغيير مي دهند. به همين دليل، عموماً ثابت ميرايي سيستم، نزديک ميرايي بحراني و برابر 0.7 انتخاب مي شود تا اين تغييرات حداقل باشد. قبل از تفسير سيگنال هاي ثبت شده بايد اثر پاسخ فرکانسي دستگاه را از روي داده ها حذف نمود؛ زيرا، دامنه هاي حرکت زمين مورد توجهند نه دامنه هاي ثبت شده. بعلاوه، پاسخ فرکانسي دستگاه لرزه نگاري به علت فرسايش قطعات مکانيکي، الکتريکي و الکترونيکي با گذشت زمان تغيير مي کند و هدف کالب زني (Calibration) دستگاههاي لرزه نگاري، نظارت بر اين تغييرات و تعيين پاسخ فرکانسي سيستم در زمان کالب زني براي انجام عمل تصحيح دستگاهي با دقت لازم است و بايد به دو نکته توجه نمود: يکي آنکه اين تغييرات تا حد مجاز باشد و ديگر آنکه تصحيح دستگاهي براي هر واقعهء لرزه اي با کمک منحني پاسخ به دست آمده از عمل کالب زني در نزديکترين زمان به زمان ثبت آن واقعه انجام گيرد. در نتيجه، کالب زني لرزه سنجها در فواصل زماني مناسب از اهميت ويژه اي برخوردار است و عدم توجه به آن خطاهاي قابل توجهي را در تحليل امواج ثبت شده وارد خواهد کرد.
به طور کلي، بزرگنمايي يا پاسخ دامنهء لرزه سنجها با اعمال يک جا به جايي يا نيروي شناخته شده به جرم لرزه سنج و تحليل خروجي روي نگاشت تعيين مي شود. حرکت نشان داده شده روي نگاشتهاي لرزه اي فقط به دليل بزرگنمايي متفاوت در فرکانسهاي مختلف با حرکت واقعي زمين تفاوت ندارد، بلکه يک تغيير فاز بين عمل ثبت و حرکت زمين وجود دارد که به خواص لرزه نگار (دوره آزاد و ميرايي) بستگي دارد. دانش دقيق پاسخ فرکانسي لرزه نگار شامل پاسخ دامنه و پاسخ فاز، محاسبهء حرکت واقعي زمين را امکان پذير مي سازد.

http://www.iiees.ac.ir/publication/Pajooheshnameh/ab_yaminifard_win_76.html

لرزه نگار

بطور کلي ، لرزه نگار دستگاهي است که نوسانات زميني ناشي از ورودامواجلرزه‌اي را (به صورت تابع پيوسته‌اي از زمان) مانيتور يا در يک شکل خاص ، همراهبا علائم بسيار دقيق زماني ثبت مي‌کند. محصول ثبت حرکات زمين لرزه ، نگاشت نامدارد. نقش لرزه نگارها درلرزهشناسي مشابه دستگاههاي اشعه ايکس در پزشکي و تلسکوپها در نجوم است. آنها اعماقغيرقابل دسترس زميني را براي تجسسات دقيق « قابل ديد» و قابل دسترسي مي‌سازند.

 

تاريخچه

علي رغم اينکه زلزله‌ها از مدتها قبل به عنوان پديده‌هاي طبيعيتوسط فلاسفه يونان باستان ، نظير ارسطو ( 384 تا 322 قبل از ميلاد) شناخته شدهبودند. لرزه شناسي تنها بعد از اختراع و گسترش اولين لرزه‌ نگارهاي قابل اعتماد دراواخر قرن نوزدهم ، به عنوان شاخه‌اي از علوم طبيعي شکل گرفت.

 

طرز کار لرزه‌ نگار

بخش اصلي لرزه نگارهاي امروزي لرزه سنج است که انرژيامواج ورودي را به ولتاژ الکتريکي تبديل مي‌کند. اين دستگاه به صورت مبدل (گيرنده ،آشکار کننده) لرزه‌اي به الکتريکي عمل کرده و جابجايي ، سرعت و يا شتاب حرکت زمينيرا ثبت مي‌کند. هر لرزه‌ سنج معمولا در جهتي قرار داده مي‌شود که يکي از مولفه‌هاي ( شرقي - غربي - شمالي - جنوبي يا عمودي) حرکت زمين را بسنجد. پس براي اينکه شکلواقعي و کامل جنبش زمين ثبت شود، بسياري از پايگاهها از سهلرزه سنجکه در سه جهت فوق قرار مي‌گيرند،استفاده مي‌کنند.

اجزاي لرزه نگار

هر لرزه نگار معمولا از سه بخش تشکيل شده که در زير به هريک از آنها به اختصار مي‌پردازيم:

لرزه سنج

لرزه سنج‌ها قسمت اصلي يک لرزه نگار هستند که انرژي مکانيکي حاصلاز امواج را به ولتاژ الکتريکي تبديل مي‌کنند و شامل انواع زيرمي‌باشند.

• لرزه سنجهاي آونگي :در اين قبيل از لرزه سنجها ، از اصل آونگها استفادهشده است.

 

• لرزه سنجهاي غيرآونگي :اساس کار آنها آونگ نمي‌باشد مانند لرزه سنجهايواتنشي و لرزه
• سنجهاي پيزو الکتريک.

واحد ثبت

ثبت امواج لرزه‌اي به راههاي مختلفي امکانپذير است که در زير بهانواع آن اشاره مي‌کنيم.

• ثبت مکانيکي :لرزه نگارهاي قديمي ، نظير وشيرت يا مينکا، از يک روش ثبتمستقيم کاملا مکانيکي استفاده مي‌کنند که از آن يک اثر يا لرزه نگاشت از حرکت قلمجوهري روي کاغذ يا سوزن متصل به آونگ روي کاغذ دودي بوجود مي‌آيد.
• ثبت مکانيکي - نوري :بعضي از دستگاههاي قديمي ديگر ، نظير ميلند - شاويا وود - آندرسون از روشهاي مکانيکي - نوري استفاده مي‌کند، بدين ترتيب که آينه نصبشده روي آونگ يا هر قسمت متحرک ديگر باريکه نوري را روي کاغذ عکاسي منعکسمي‌نمايد.
• ثبت الکترومگنتيک :دستگاههاي جديدتر از روشهاي ثبت الکترومگنتيک يا بهمقدار کمتر ، الکترواستاتيک سود مي‌برند. در روش الکترومگنتيک ، يا در اثر جابجاييسيم پيچ در ميدان مغناطيسي ثابت ،جريانالکتريکي توليد مي‌شود يا در اثر تغييرات ميدان مغناطيسي احاطه شده توسط يک سيمپييچ. در هر دو حالتنيروي الکترومگنتيکالقا شده با مشتق زمانيجابجايي زميني متناسب است.

ساعت دقيق

جهت تعيين زمان ورود فازهاي ثبت شده مختلف ، وجود نشانه زمانيدقيق روي لرزه نگاشت ضروري است. بسياري ازپايگاههاي لرزه نگاري مدرن ساعت خود را باتنظيم روزانه با علائم زماني راديويي که توسط سرويسهاي استاندارد جهاني اعلام زمانپخش مي‌شود در حد 1 تا 10 هزارم ثانيه حفظ مي‌کنند.

 

 

پايگاه زلزله نگاري

پايگاه يا ايستگاه زلزله نگاري محلي است که در آنجا ردگذر زمين لرزه يا به صورت نگارشي ويا به گونه ثبت مغناطيسي فراهم مي شود. پايگاه زلزله نگاري دست کم شامل يک دستگاه لرزه سنج مي باشد که در برگيرنده آونگ، ميراگر، تقويت کننده و يک دستگاه ثبات با زمان سنج دقيق است. در يک پايگاه زلزله نگاري علاوه بر دستگاههاي ياد شده ، تجهيزات کافي براي انبار کردن داده ها، ترسيم لرزه نگاشتها و پردازش داده ها نيز وجود دارد(شکل 19).

شکل (19): شمايي از تجهيزات يک پايگاه زلزله نگاري و مرکز پردازش.

لرزه سنج يک آونگ فيزيکي است که از يک جرم ( ممکن است براي ثبت زمين لرزه هاي نزديک 500 گرم باشد و براي ثبت زمين لرزه هاي دور حتي سه چهار کيلوگرم باشد) که به محوري وصل شده و با اصطکاک بسيار بسيار کم مي تواند نوسان کند، تشکيل شده است. کوچکترين تکان، اين جرم متحرک و متصل به محور را مدتها به نوسان درآورد. براي کنترل نوسان اين آونگ يک دستگاه ميراگر به آن اضافه شده است(شکل 20).

شکل (20): ساختمان ساده يک لرزه نگار شامل پايه، جرم، فنر، قلم و کاغذ.

اگر جرم اين آونگ را به صورت يک سيم پيچ بسيازيم و محور آن را بين آهنربايي قوي قرار دهيم، وقتي آونگ نوسان مي کند، با قطع ميدان مغناطيسي آهنربا جريان برق بسيار ضعيفي در سيم پيچ القا مي شود. اين جريان برق توسط دستگاه تقويت کننده بزرگ مي شود و سپس وارد يک دستگاه حساس به نام گالوانومتر مي شود و آنجا يک قلم را به لرزه درمي آورد. اگر لرزش قلم را به فيلم يا کاغذ منتقل نماييم، رد قلم بر فيلم يا کاغذ ثبت مي شود که به آن لرزه نگاشت مي گويند. اين مجموعه را که شامل لرزه سنج و دستگاه ثبت مي باشد را لرزه نگار مي نامند.

ايستگاههاي لرزه نگاري کامل براي ثبت دقيق تر ارتعاش زمين از سه لرزه سنج که به ارتعاشات زمين در امتدادهاي بالا-پايين، شمال –جنوب، شرق-غرب حساس هستند بهره مي گيرند. چون معلوم است دستگاه چند هزار مرتبه حرکت را فقويت نموده، از روي نگاشت معلوم مي شود که زمين چقدر جابجا شده به طور مثال اگر روي نگاشت قائم (بالا-پايين) بزرگترين دامنه 5 سانتي متر يا 50000 ميکرون باشد (شکل 21)،

شکل (21): نمونه اي از يک لرزه نگاشت با بيشينه دامنه 5 سانتي متر.

دستگاه هم صدهزار باشد، آنوقت دامنه واقعي جابجايي زمين در امتداد قائم مي شود 5/0 (نيم) بزرگنمايي ميکرون. همانطور که گفتيم، اين دامنه واقعي مي تواند نماينده بزرگي زمين لرزه باشد. اگر فاصله زمين لرزه تا ايستگاه ثبت کننده هم اندازه گيري شود، مي شود بزرگي زلزله را برآورد کرد. براي اينکه يک رابطه اي بنويسيم که عددهاي جمع و جوري داشته باشد، چنانچه در تعريف بزرگي ريشتر هم ديديم، از لگاريتم استفاده مي گنيم. در حساب مثلاً تعريف مي کنند که لگاريتم صد مي شود دو پس لگاريتم ده هزار مي شود 4 و لگاريتم يک ميليون مي شود شش. حالا اگر بزرگي زمين لرزه را با حرف M بنويسيم و بزرگي آن را با دامنه و فاصله آن بستگي دهيم خواهيم داشت:

M=Log A + Log D

يعني اگر دامنه (A) بر روي نگاشت چهار سانتيمتر و بزرگنمايي 2000 و فاصله ( D )1000 کيلومتر باشد، بزرگي حدود 4 درجه مي شود. در حال حاضر يک رقم اعشار براي بزرگي در نظر گرفته مي شود.

درجه 4= 3+03/1 = M

هميشه رابطه به اين سادگي نيست. مثلاً دوره حرکت نوساني ثبت شده يعني T ، مشخصات دستگاه لرزه نگار نيز منظور مي شود و رابطه مفصل مي شود.  
تا حال فهميديم که لرزه سنج ها از آونگ سيم پيچي و آهنرباي قوي درست شده اند و دستگاه ثبات نقش زمين لرزه را بر روي کاغذ يا فيلم فراهم مي کند و به اين مجموعه لرزه نگار مي گويند. زمين لرزه را برحسب شدت تکان و مشاهده اثر آن به دوازده درجه تقسيم کرده اند، اما بزرگي زلزله بايد از روي نگاشت آن محاسبه کرد و آن هم يک محاسبه لگاريتمي در پايه ده مي باشند. البته بزرگي زلزله يک درجه قراردادي است و انرژي واقعي يک زمين لرزه را نشان نمي دهد، اما مي توان از طريق آن به طور نسبي زمين لرزه ها را با هم مقايسه کرد. چنانچه زمين لرزه رودبار يک بزرگي مثلا 8/6 مي دهد اما زلزله گرمسار بزرگي 2/5 دارد. بين بزرگي و انرژي هم رابطه وجود دارد و مي توان به طور تخميني مقدار انرژي زمين لرزه را حساب کرد. براي تعيين محل زمين لرزه به اين نکته توجه داريم که همان طور که گفته شد، تعداد گروههاي موجهاي زمين لرزه زياد است. يک گروه بنام موج P با سرعت زياد اول مي رسد و روي کاغذ نقش مي بندد. گروه دوم موج S است که با سرعتي 7/1 برابر کمتر از موج P کمي ديرتر مي رسد. هر چقدر فاصله زمين لرزه از محل وقوع تا ايستگاه ثبت کننده بيشتر باشد، اختلاف زمان رسيدن موج P و S زيادتر مي شود و از اين ويژگي مي فهميم که زمين لرزه در چه فاصله اي اتفاق افتاده است (شکل 22).

شکل (22): شمايي از يک نگاشت سه مولفه که زمان ورود موجهاي P و S را نشان مي دهد موج اول P و بعد S موج به پايگاه زلزله نگاري مي رسد اختلاف زماني موجهاي Pو S  بيانگر فاصله زمينلرزه از ايستگاه است.

به طور مثال اگر اين اختلاف 25 ثانيه باشد، فاصله حدود دويست کيلومتر است. چون نگاشت در سه جهت تهيه مي شود با يک ترسيم هندسي جهت زلزله را مي شود تشخيص داد. به شکل (22) نگاه کنيد در روي سه مولفه اولين حرکت به سوي بالا است،‌اين را به اين صورت تفسير مي کنيم که نخستين حرکت بر روي مولفه قائم اگر به سوي بالا باشد موج رسيد تراکم است و به سوي پايين انبساط. همينطور حرت به سوي بالابر روي مولفه شمال و جنوب و شرق و غرب به اين ترتيب حرکت را از شمال و شرق نشان مي دهد و بالعکس. آنوقت اگر اين پايگاه در تهران باشد مي گوييم زمين لرزه اي با بزرگي به طور مثال 5/4 در فاصله 200 کيلومتري جنوب غربي پايگاه تهران اتفاق افتاده است.

به اين ترتيب ديديم که يک پايگاه لرزه نگاري مي تواند با ثبت ارتعاشات زمين و بررسي آنها زمان، محل و بزرگي زمين لرزه را مشخص کند. بديهي است که هر چه تعداد اين ايستگاهها بيشتر باشد، مي توان اين اطلاعات را بيشتري به دست آورد.

http://www.iiees.ac.ir/Seismology/seis_paigah.html

 

 

 

دستگاههاي مورد استفاده در شبكه شتابنگاري

شرکت نانومتريکس

 

معرفي:

از زمان شروع به کار شرکت نانومتريکس در سال 1980 آنها روي گسترش سيستم ها و تجهيزات مطالعه زلزله هاي طبيعي و زلزله هاي واداري تمرکز کرده اند .

امروزه شرکت نانومتريکس به عنوان پيشرو درتکنولوژي لرزه نگار ديجيتال با بيش از 85 شبکه تمام ديجيتال در بيش از 40 کشور جهان شناخته مي شود .

 

 لرزه نگار ديجيتال  Taurus

 

 لرزه سنج باند پهن Trillium :

 ديجيتايزر Trident :

Libra  (شبكه هاي ماهواره اي براي كسب داده هاي لرزه اي و محيطي):

 

 

http://www.geobite.com/farsi/geophysic/seismology.shtml

 

 

 

• دستگاه شتابنگار آنالوگ SMA1

دستگاه شتابنگار SMA1 در سال 1969 ميلادي طراحي و در سال 1970 وارد مجموعه شتابنگاري كشور آمريكا گرديد. اين دستگاه در زمان خود از پيشرفته ترين و كار آمدترين دستگاههاي شتابنگار آنالوگ محسوب مي شد و هنوز هم مورد استفاده قرار مي گيرد. اين دستگاه نيز از سال 1352 تا كنون در شبكه شتابنگاري ايران مورد استفاده قرار گرفته است. اين دستگاه داراي دو مؤلفه افقي و يك مؤلفه قائم است. جنبش زمين توسط پرتوهاي نور  بر روي فيلم 70 ميليمتري ثبت مي شود. عنصر نوسان كننده در اين  دستگاه كه به ترانس ديوسر موسوم است و يك سيستم با يك درجه آزادي است كه جرم آن يك آونگ صفحه اي است كه به وسيله يك فنر پيچشي به يك محور متصل است، اين محور از دو طرف به صورت لولايي بر روي دو تكيه گاه قرار دارد. فنر پيچشي در يك ميدان مغناطيسي كه يك ميرايي لزجي توليد مي كند قرار مي گيرد. ميرايي اسمي اين فنر در حدود 6/0 مقدار بحراني است. دستگاه  تا قبل از رسيدن امواج در حالت آماده به كار قرار دارد، متعاقب رسيدن امواج زمينلرزه، دستگاه روشن شده و شروع  به ثبت نگاشت مي نمايد. راه انداز قائم، حركت اولين جنبش زمين را در صورتي كه شتاب اين حركت از آستانه اي كه براي دستگاه تنظيم گرديده است فراتر رود  دريافت كرده و در زماني كمتر از 05/0 ثانيه دستگاه را به طور كامل به راه مي اندازد . دستگاه پس از روشن شدن تا 10 ثانيه پس از آخرين اوج شتابي را كه بر اساس آن تنظيم شده است، به كار خود ادامه مي دهد. پس از ثبت زمينلرزه، دستگاه در موقعيت آماده به كار باقي مي ماند تا اينكه زمين لرزة ديگري روي دهد.

دستگاه SMA1 با يك حلقه فيلم، يك يا چند زمينلرزه و پسلرزه هاي آن را حداكثر تا 25 دقيقه ثبت مي نمايد. مشخصه هاي فيزيكي اين دستگاه عبارت است از جنس بدنه آلومينيم،  وزن آن 11 كيلو گرم مي باشد، و ابعاد آن 355 × 200× 200 ميليمتر است. دماي محدودة عملكرد دستگاه از 20 – تا 55 درجه سانتيگراد است. نيروي تغذيه دستگاه، دو باطري 6 ولت قابل شارژ بوده كه توسط جريان برق 220 ولت يا 110 ولت شارژ مي گردند. زمان سنجي دستگاه SMA1 توسط ژنراتور كدهاي زماني يا TCG صورت مي گيرد.

 

دستگاه شتابنگار SSA2

دستگاه شتابنگار SSA2 از جديدترين دستگاههاي شتابنگار ديجيتالي است كه در حال حاضر مورد استفاده شبكه شتابنگاري ايران مي باشد. دستگاه شتابنگار SSA2 به دليل باند بسامد وسيعتر، دامنه  ديناميكي بيشتر نسبت به SMA1، داده هاي كاملتري در حافظه ثبت مي كند لذا پردازش داده ها از طريق نرم افزارها ي خاص پردازش به مراتب سريع تر و با اطمينان بيشتري از SMA1 مي باشد. قابليت ارتباط با آن از طريق مدم كارآيي آنرا بالا برده است. حافظه دستگاه kbyte 256 است كه مي توان آن را به kbyte 2048 افزايش داد. زمان ثبت استاندارد دستگاه حدود 10 دقيقه است كه با حافظه بيشتر تا 80 دقيقه نيز مي رسد. نرخ ثبت داده 200 نمونه در ثانيه براي هر كانال است.

دستگاههاي SSA2 زمينلرزه ها رااز طريق مانيتور كردن علائم شتاب حاصل از هر يك از سنسورهاي سه گانه آن ثبت مي كند. وقتي شتاب از حدي كه توسط كاربر تعيين شده است فراتر مي رود داده ها مستقيماً در حافظه ثبت مي شوند. پاسخ  دستگاه از صفر تا پنجاه هر تز بوده و بدين لحاظ زمينه هاي كاربردي وسيعي دارد.

دستگاههاي شتابنگار SSA2  از زمان نصب تا كنون ركوردهاي زيادي را ثبت نموده اند. زمان رويداد، مدت  دوام و مقادير اوج شتاب مربوط به هر حادثه در header فايل مربوط به آن ثبت مي شود. ارتباط با دستگاه  از طريق رايانه و يا به  وسيله خط تلفن برقرار مي شود. ابعاد دستگاه (281× 222× 375 ميليمتر)  بوده وزن آن 10 كيلوگرم است. ولتاژ كار با دستگاه 11 تا 14 ولت  DC و جريان مصرفي آن 75 تا 200 ميلي آمپر است. دستگاه SSA2 داراي يك ساعت داخلي استاندارد است كه زمان رويداد زمينلرزه را در header فايل مربوطه ثبت مي كند. دقت اين ساعت كم بوده و به منظور افزايش دقت سنجش زمان از ژنراتور كدهاي زماني استفاده مي گردد.

دستگاه شتابنگار- لرزه نگار SSR-1

دستگاه لرزه نگار SSR1 يك دستگاه ركوردر ديجيتال با قابليت هاي زياد است كه رويدادهاي لرزه اي را در حافظه STATIC RAM  COMS  با ظرفيت يك مگا بايت ذخيره مي نمايد . حافظه دستگاه به صورت اختياري تا 4 مگابايت قابل افزايش است. دستگاه SSR1 به طور استاندارد داراي سه كانال ورودي است ولي به صورت اختياري مي تواند از شش كانال سيگنال ورودي را دريافت نمايد. اين دستگاه داراي يك مبدل A/D 16 بيتي بوده و رنج ديناميكي آن 96db است.

از قابليتهاي مهم اين سيستم، برخورداري از 129 پنجره زماني قابل برنامه ريزي است كه با تنظيم پارامتري هاي مربوطه، انجام اندازه گيري هاي لرزه اي از زمانهاي مشخص با ويژگيهاي معين امكان پذير مي باشد. همچنين SSR-1   را مي توان بگونه اي تنظيم و برنامه ريزي نمود كه سيگنالهاي ورودي را از انواع سنسورهاي لرزه اي دريافت نموده و با دو ئرخ نمونه برداري متفاوت ثبت نمايد.

دستگاه SSR1 را مي توان به صورت يك سيستم منفرد و يا به صورت همبسته با چند دستگاه SSR1  ( با تريگر نمونه برداري و با زمان سنجي مشترك ) بكار برد. انتقال داده ها و كنترل SSR1 در صحرا به كمك يك نوت بوك ميسر است. به منظور پردازش كامل رويداد هاي لرزه اي ثبت شده توسط SSR1 ، نرم افزارهاي متعددي طراحي شده است.

سنسورهاي دستگاه با استفاده از سه مجموعه كابل ويژه، اتصال يك سنسور نوع FBA-23 يا سه سنسور FBA-11 و يا سه سنسور SSR-1 انجام مي شود. تهيه كابلهاي مناسب براي اتصال ساير انواع سنسورهاي امكان پذير است.

دستگاه لرزه نگار PS2  :

 دستگاه لرزه نگار Ps-2 كه در حال حاضر در شبكة شتابنگاري ايران مورد استفاده قرار مي گيرد يك لرزه نگار قابل حمل است كه مي توان براحتي آن را در فضا ي آزاد بكار انداخت. اين دستگاه داراي يك سنسور تك مولفه اي SS-1 مي باشد كه توسط كابل به دستگاه اصلي وصل   مي گردد. دستگاه حركت زمين را بر روي كاغذ ثبت مي كند. اين دستگاه مي تواند بصورت منفرد يا گروهي مورد استفاده قرار گرفته و يكي از مناسبترين انتخابها براي مطالعه پسلرزه ها مي باشد. منبع اصلي تغذيه دستگاه باطري قابل شارژ هست كه دستگاه را قادر مي سازد تا هشت روز بدون شارژ مجدد فعاليت نمايد. ساعتي با دقت بالا در دستگاه قرار دارد كه از آن مي توان براي ثبت زمان رويداد زمينلرزه استفاده نمود. اين دستگاه مي تواند بر حسب نياز در دوره هاي يكروزه تا 8 روز تنظيم شود.

http://www.bhrc.ac.ir/Bhrc/d-stgrmo/SHABAKEH/OTHER/machina.htm

 

منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنید
اين مطلب در تاريخ: پنجشنبه 18 دی 1393 ساعت: 9:05 منتشر شده است
برچسب ها : تحقیق درباره لرزه نگاري,تاريخچه لرزه نگاری,ايستگاه لرزه نگاري چیست,ثبت امواج زمین لرزه,لرزه نگاشت چیست,لرزه نما (Seismoscopes)چیست,کالب زني دستگاههاي لرزه نگاري,طرز کار لرزه‌ نگار,لرزه سنجهاي آونگي :,لرزه سنجهاي غيرآونگي :,ثبت الکترومگنتيک,پايگاه زلزله نگاري,

 

 

بسم الله الرحمن الرحیم

 

تحقیق درباره خطرات موبایل

سلولهای بدن انسان در گستره 10 تا 1000 هرتز با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند ، اکثر موبایل ها نیز در گستره 270 تا 1800 هرتز ارتباط برقرار می کنند. در نتیجه گستره امواج الکترومغناطیس موبایل با سیستم ارتباط بین سلولی انسان هم پوشانی دارد و باعث ایجاد اختلال در بدن می شود.

امواج موبایل تاثیر بدی در باروری مردان دارد. زیرا اسپرم را می کشد و باعث کاهش قوای جنسی می شود. بخصوص در کسانی که موبایل را به کمرشان می بندند.

امواج موبایل سرطان زاست و علاوه بر آن احتمال ابتلا به بیماریهای آلزایمر و پارکینسون را افزایش می دهد.

در ازای حتی 2 دقیقه صحبت با موبایل ، ساختار مولکولی بزاق دهان تغییر می کند.

 میدان های اکترومغناطیسی به ویژه آنهایی که در گستره فرکانس بدن هستند ، باعث تغییر عملکرد جذب مواد معدنی در بدن می شوند و سرعت گسترش تومرها را افزایش می دهد.

یکی ازخطرناکترین مشکلات امواج موبایل برای خانم باردار است .بدن جنین هنوز بافت خوب و کاملی را به خود نگرفته و بسیار حساس است . امواج موبایل منجر به کاهش عکس العمل مولکولی در بدن جنین می شود .

یک سلول را در نظر بگیرید دیواره ای آن را احاطه کرده ، سلول های مغز اطفال هنوز شکل و ساختار محکمی به خود نگرفته اند . در واقع تکامل یافته نیستند و دیواره محکمی ندارند. به همین دلیل میزان بیشتری از تشعشعات را از خود عبور می دهند که باعث اختلالات عصبی در آنها می شود و مواردی مانند چشم درد و کم اشتهایی در آنها دیده می شود.

فاصله یک آنتن مخابراتی ( BTS ) با انسان باید حداقل 50 تا 60 متر باشد ، تا ضرر امواج کمتر به انسان آسیب برساند.

حمل کردن موبایل ضرر دارد. حتی اگر 30 سانتی متر با تلفن همراه فاصله داشته یاشید امواج الکترومغناطیس حدود 400 هزار Pw/M2 در هر لحظه با بدن اصابت می کند. هنگام حرکت در مکان هایی که سیگنال موبایل متغیر است ، گوشی موبایل سعی در بدست آوردن سیگنال بیشتر می کند . در واقع امواج بیشتر و قوی تری از خود ساطع می کند و خطرناکتر است .

مکان هایی که پوشش سیگنال کم است امواج گوشی بیشتر می شود و در مقابل مکان هایی که نزدیک آنتن مخابرات ( BTS ) می باشد و پوشش خوب است ، امواج ساطع شده از طرف آنتن برای بدن بسیار خطرناک است.

CellTowers

خطر امواج هنگام صحبت کردن از هر زمان دیگر بیشتر است . زیرا این امواج همواره در حال کم و زیاد شدن هستند.

خانم های باردار باید حداقل 2 متر با موبایل فاصله داشته باشند.

هنگام ارسال MMS یا پیام تصویری ، خطر امواج 1000 برابر بیشتر است .

استفاده از هندزفری ( Hands Free ) نمی تواند درصد امواج را کاهش دهد. زیرا مانند یک آنتن عمل می کند.

پاره شدن رشته های DNA و احتمال ابتلا به سرطان ، ناراحتی قلبی ، فشار خون ، رشد تومرهای مغزی ، سر درد ، آلزایمر ، پارکینسون و ...

چه آزمایش هایی جهت اثبات خطر جدی امواج موبایل انجام گرفته است؟

در سوئد روی یک خرگوش آزمایش جالبی انجام دادند. یک خرگوش را کنار یک موبایل گذاشتند که آن موبایل همواره روشن بود. در این مدت هم تغذیه کاملی به آن می‌دادند.

پس از 2 ماه خون و سلول‌های خرگوش را برای آزمایش به آزمایشگاه بردند و نتیجه جالب توجهی را اعلام کردند؛ آن خرگوش با ادامه این وضعیت بیشتر از یک سال زنده نمی‌ماند. حال باید ببینیم اگر روی یک انسان چنین آزمایشی انجام دهند نتیجه چه می‌شود! اگرچه فکر نکنم کسی داوطلب این آزمایش پیدا شود.

نمونه نسبی آزمایش شده این کار برای انسان را می‌توانید در افرادی ببینید که شغلشان مرتبط با رادارهای نظامی است. آن‌ها طول عمر بسیار کمی دارند و یا بسیاری از آن‌ها در زمان سالخوردگی به بیماریهایی مبتلا می‌شوند که در جمعیت عادی کمتر دیده می‌شود.

پرفسور برن گروپر در آزمایشی نشان داد که اگر شخصی 2 دقیقه با موبایل صحبت کند، ساختار آنزیمی بزاق دهانش کلاً تغییر می‌کند. علاوه بر این، تأثیرات منفی بر روی خون و ادرار دارد.

پرفسور برن گروپر در مقاله خود نوشته میدان‌های الکترومغناطیسی به ویژه آن‌هایی که در گستره فرکانس بدن هستند، باعث تغییر عملکرد جذب مواد معدنی در بدن می‌شوند و سرعت گسترش تومورها را افزایش می‌دهند.

پژوهشگران اعلام کردند کودکانی که از گوشی‌های تلفن همراه استفاده می‌کنند 5 برابر بیشتر در خطر ابتلا به انواع تومورهای مغزی قرار دارند.به گزارش سلامت نیوز به نقل از دیلی تلگراف،‌تحقیقات دانشمندان سوئدی نشان داد که کودکان زیر 16 سال به علت اینکه سیستم عصبی و مغز آنها هنوز در حال رشد و توسعه است آسیب بیشتری را از تشعشعات تلفن های همراه می‌پذیرند.

دانشمندان معتقدند که کوچک‌تر بودن سر و نازک تر بودن جمجمه آنها باعث نفوذ بیشتر تشعشعات به درون مغز می‌شود. این دسته از محققان پس از ارائه نتایج تحقیقات بر این باورند که کودکان زیر 12 سال باید تنها در مواقع اضطراری از تلفن همراه استفاده کنند.

دانشمندان همچنین افزودند که نوجوانان باید از "هندزفری" استفاده کرده و تا جای ممکن سعی کنند از پیام کوتاه استفاده کنند.

عده‌ای از محققان با ایراد سئوالاتی به این نتایج اعلام کرده‌اند که تلفن‌های همراه به اندازه کافی در بازار نبود‌ه‌اند تا بشود چنین نتایج دقیقی را از تحقیق بر آنها گرفت.

حدود 90 درصد نوجوانان زیر 16 سال و 40 درصد دانش‌آموزان مدارس در بریتانیا تلفن همراه دارند.

نتایج پژوهش‌های محققان سوئدی در کنفرانسی در مورد تلفن همراه و سلامت در لندن ارائه شده است.

یکی از یافته‌های این تحقیق نشان می‌دهد که یک شخص هر چه زودتر و در سن پایین‌تری به استفاده از موبایل روی بیاورد احتمال ابتلا به تومور مغزی در وی افزایش می‌یابد.

پروفسور لنارت هاردل از دانشگاه هاسپیتال شهر اروبرو سوئد می‌گوید:"افرادی که قبل از 20 سالگی به استفاده از تلفن‌همراه می‌پردازند 5 برابر بیشتر با خطر ابتلا به تومور مغزی روبرو هستند.

عوارض ناشی از تششعات تلفن همراه بر روی کلیه!

تشعشعات گوشی های تلفن همراه باعث ایجاد سنگ کلیه میشوند!!!

پیش از این درخصوص تأثیرات سوء تشعشعات تلفن همراه ، مانند سرطان زایی ، عقب ماندگی ذهنی و غیره مباحثی مطرح شده بود.

مطالعات اخیر حاکی از این امر است که تشعشعات ناشی ازگوشی‌های تلفن همراه سبب آسیب جدی کلیه‌ها می‌گردد.

محققان پس از بررسی‌های انجام شده به این نتیجه رسیده‌اند که حتی تشعشعات سطح پایین ناشی از گوشی‌های تلفن همراه ، باعث تراوش هموگلوبین سلول‌های خونی به درون جریان خون می شود.

در نتیجه طبق اظهارات محققان ، انباشته شدن تدریجی هموگلوبین ممکن است منجر به ناراحتی‌های قلبی و سنگ کلیه گردد.

مکالمه طولانی با تلفن همراه به حافظه آسیب می رساند!

پژوهشگران در مطالعات اخیر دریافته‌اند که صحبت کردن به مدت طولانی با تلفن همراه می‌تواند تاثیرات مخرب و جدی روی حافظه کاربران بر جای بگذارد.

در این تحقیق پژوهشگران، اثرات تلفن همراه را روی موشهای صحرایی آزمایشگاهی بررسی کردند.

محققان بخش جراحی اعصاب در دانشگاه لوند در کشور سوئد با بررسی آزمایشات دریافتند که پرتوها و تشعشعات میکرو امواج که از تلفن‌های همراه ساطع می‌شوند می‌توانند روی مغز تاثیر منفی بگذارند.

محققان می‌گویند؛ این امواج روی ناحیه خاصی از مغز موسوم به «مانع خونی - مغزی» تاثیر نامطلوب دارند.

این مانع نقش حفاظت از مغز را برعهده دارد. در واقع مانع خونی - مغزی از ورود مواد مخربی که در خون جریان دارند به داخل بافتهای مغزی جلوگیری می‌کند. اگر این مواد به درون مغز وارد شوند می‌توانند به سلولهای عصبی موسوم به نورونها آسیب برسانند که ادامه این وضعیت عملکرد مغز را دچار اختلال می‌کند.

 

هنریتا نیتبی، سرپرست این گروه تحقیقاتی دریافته است که وقتی موشهای صحرایی آزمایشگاهی در معرض تشعشعات تلفن همراه قرار می‌گیرند، نتایج تستهای حافظه آنها بسیار ضعیف‌تر می‌شود.

به گزارش ایسنا، بر اساس این تحقیق موشهایی که به مدت دو ساعت در هر هفته و در طول یکسال در تماس با این امواج قرار داشتند، عملکرد حافظه‌شان به مراتب ضعیف‌تر می‌شده است.

این آزمون حافظه شامل رها کردن موشهای صحرایی در داخل یک جعبه بود که اشیاء مختلفی در آن قرار داشت، موشها باید می‌توانستند جای این اشیاء را که هر چند وقت یکبار عوض می‌شد، پیدا می‌کردند.

موشهایی که در معرض امواج تلفنی قرار گرفته بودند مدت بیشتری طول می‌کشید تا می‌توانستند محل اشیاء جا به جا شده را شناسایی کنند.

این تیم تحقیقاتی هم چنین دریافتند که این امواج آسیبهای خاص به اعصاب از جمله سلولهای کورتکس پیشانی و در هیپوکامپ که مرکز حافظه در مغز است وارد می‌کنند.

 

1-مدت زمان مکالمه‌تان را کاهش دهيد: بهترين راهکار اين است که مدت زمان تماس و مکالمه با تلفن همراه‌تان را کاهش دهيد. مطالعات نشان می‌دهد که اگر شما بيش از دو دقيقه با تلفن همراه صحبت کنيد، امواج مغزی شما تحت تاثير امواج تلفن همراه قرار می‌گيرد.

 

2-کودکان فقط در مواقع اورژانس: اين به‌هيچ وجه درست نيست که کودکان يک تلفن همراه مخصوص خودشان داشته باشند چون مغز کودکان در حال رشد است و اثر امواج تلفن همراه بر آن بيشتر است. بهتر است کودکان جز در موارد اورژانس با تلفن‌ همراه خود صحبت نکنند.

 

3-تلفن همراه را در جيب شلوارتان و يا روی کمر بندتان قرار ندهيد: بهتر است تلفن همراه را در جيب شلوارتان قرار ندهيد چون بافت‌های بخش پايينی بدن بيشتر از بافت‌های سر و صورت، اشعه‌های مضر تلفن همراه را جذب کرده و آسيب می‌بينند. نتايج يک مطالعه نشان می‌دهد مردانی که تلفن همراه را در جيب شلوارشان قرار می‌دهند تعداد اسپرم‌هايشان 30درصد کاهش پيدا می‌کند.

 

4-اول بگذاريد ارتباط برقرار شود: اگر شما از هدست يا گوشی استفاده نمی‌کنيد وقتی شماره می‌گيريد اجازه دهيد اول تلفن همراه‌تان وصل و ارتباط با طرف مقابل برقرار شود سپس آن را روی گوش‌تان قرار دهيد در اين صورت تحت اشعه مضر کمتری قرار می‌گيريد. شما می‌توانيد برقرار شدن ارتباط را روی صفحه تلفن همراه‌تان ببينيد.

 

5-تلفن همراه‌تان را داخل پوشش‌های فلزی و محفظه‌های دربسته فلزی قرار ندهيد: برای موبايلتان پوشش‌های فلزی نخريد و آن را درون بسته‌های فلزی دربسته قرار ندهيد. اين محفظه‌های فلزی مانند يک گيرنده عمل کرده و اثر امواج تلفن همراه را که به سمت بدن شما می‌آيند تشديد می‌کنند.

 

6-تلفن همراهی با ميزان اِس.اِی.آر پايين‌تر (تلفن همراهی با جذب پايين اشعه برای بدن) بخريد: هنگام خريد تلفن همراه به ميزان

اِس.اِی.آر آن توجه کنيد. اين عدد به‌‌طور‌معمول به وسيله شرکت سازنده تلفن همراه روی گوشی و يا کاتالوگ آن درج می‌شود و نشان می‌دهد که هنگام استفاده از تلفن همراه چه مقدار از امواج جذب بدن شما می‌شود. هرچه اين عدد در يک گوشی تلفن همراه پايين‌تر باشد آن گوشی ايمن‌تر است و بيشتر شما را از آثار مخرب اشعه‌های تلفن همراه مصون نگه می‌دارد.

 

منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنید
اين مطلب در تاريخ: چهارشنبه 17 دی 1393 ساعت: 20:23 منتشر شده است
برچسب ها : تحقیق درباره خطرات موبایل,

تحقیق رایگان

سایت علمی و پژوهشی آسمان

تحقیق درباره هسته اتم

  آیا تقسیمات ماده ، می تواند تا بینهایت ادامه پیدا کند؟

برای پیدا کردن پاسخ این پرسش باید آزمایش دیگری انجام دهید:

آزمایش : نوگ یک سنجاق را در روغن زیتون فرو ببرید و فوری آن را در لیوانی که دارای آب سرد وارد کنید. روغن در سطح آب پخش می شود. آیا روغن تمام سطح لیوان را پوشانده است؟ اگر خیر؛ آیا لکه روغن به هم پیوسته است یا به صورت چند تکه جدا از هم است؟ اگر لکه روغن تمام سطح آب را پوشانده یا به صورت یکپارچه است ، آزمایش  را تکرار کنیداین بار در یک بشقاب آب بریزید و سنجاق آغشته به روغن را در آب فرو ببرید. زمانی خواهد رسید که لکه روغن یکپارچگی خود را از دست می دهد و به چند تکه تقسیم میشود. بنابراین، باید پذیرفت که روغن زیتون نیز از ذرات کوچکی تشکیل شده است که یک قطره آن می تواند درسطح آب گسترده می شود و لایه نازکی را تشکیل دهد، ولی این گستردگی نمی تواند تا بینهایت ادامه پیدا کند. به بیان دیگر، وقتی که لایه ای بسیار نازک درست شد که ضخامت آن درحدود قطر یک ذره است ، دیگر لایه از آن نازکتر نمی شود. بنابراین ، می توان گفت که مواد مورد بحث پیوسته نیستند و از ذرات بسیارکوچکی تشکیل شده اند.

همانطور که در دوره ابتدایی وراهنمایی تحصیل دیده اید ، آزمایشهای را قبلا دیده اید برای مثال، می دانید که هرگاه در آب خالص چند قطره اسید سولفوریک یا چند تکه سود یا مقداری سولفات سدیم حل کنیم  و در داخل محلول دو میله زغالی بگذارین و میله ها را به یک باتری وصل کنیم، در عمل، آب به ئیدروژن  و اکسیژن تجزیه می شود. پس ، مولکلهای آب خود را از اجزای کوچکتری تشکیل شده اند. حتما می دانید که این اجزاء را اتم می نامند. همچنین می دانید که مواد مرکب، از اتمهای و مواد ساده ؛ از اتمهای یکسان تشکیل شده اند.

اجزای اتم و چگونگی قرار گرفتن آنها

آیا اتمها تجزیه ناپذیرند؟

نظریه تمی دالتن نیز مانند هر نظریه علمی دیگر توانست بسیاری از پدیده های علمی آن زمان را توجیه کندو به بسیاری از پرسشها پاسخ دهد، ولی از توجیه برخی پدیده ها عاجز بود و مانند هر نظریه خوب دیگر سوالهای تازه بسیار مطرح کرد. به عنوان مثال، این سوال مطرح شد: در اتمهای مواد مرکب چه نیرویی اتمهای ساده را درکنار یکدیگر را یک اتمسفر گرمایی احاطه کرده است که به هنگام ترکیب دو عنصر، اتمسفر گرمایی این دو عنصر همپوشانی می کنند که وبه همین سبب نیز از واکنش ندارد و به همین دلیل این مواد یک اتمی هستند. دالتن برای این قسمت از نظریه خود دلیل تجربی نداشت.

دانشمندان سالها پیش از دالتن با الکتریسیته مالشی( ساکن) آشنایی داشتند که نظریه اتمی دالتن نمی توانست این پدیده را توجیه کند. بازهم دالتن پاسخی داشت و آن این بود که الکتریسیته چیزی است که برماده عارض می شود وجزء ذات ماده نیست.

با ساخته شدن پیلهای الکتروشیمیایی و انجام شدن آزمایشهای الکترولیز ، توانایی نظریه دالتن برای توجیه واقعیتها کمتر شد و سرانجام این مدل از توجیه خصلت رایو اکتیوی  و اشعه کاتدی به کلی عاجز ماند. این واقعیتها زمانی قابل توجیه بود که در اتمها، اجزای دارای بار الکتریکی وجود داشته باشند ومدل اتمی دالتن (اتم غیر قابل تقسیم) نمی توانست این پدیده ها را توجیه کند.

چگونه اجزای دارای بار الکتریکی اتم شناخته شدند؟

هنگامی که اولین پیل الکتروشیمیایی ساخته شد، دانشمندان سعی کردند تا رفتار مواد را در برابر این پدیده جدید مورد آزمایش قرار دهند. جریان الکتریسته را از محلول آبی نمکها، بازها و اسیدها عبور دادند که در بسیاری از موارد نتیجه عمل تجزیه آب به ئیدروژن و اکسیژن بود. بر اثر عبور جریان الکتریسته از نمکها یا ئیدروکسیدهای مذاب ، عنصرهای جدیدی کشف شد قوانین کیفی وکمی برای الکترولیز در حالتهای گوناگون پیدا شد. نتایجی را که دانشمندان در مورد رفتار مواد رفتار مواد در برابر جریان الکتریسته پیدا کردند می توان به صورت زیر خلاصه کرد"

1-         جامدات به دو دسته تقسیممی شوند. دسته اول رسانای الکتریسیته  هستند، که بیشتر از فلزات تشکیل می شوند ؛، و دسته دوم مواد نارسانا.

2-         مایعات- و از جمله آب  معمولاًٌ رسانای جریان الکتریسته نیستند. ولی هرگاه در آب مواد دیگری به ویژه نمکها  حل شده باشند، محلول حاصل جریان الکتریسته را عبور می دهد. رسانایی الکتریکی این محلولها  نیز یکسان نیست، برخی رسانای نسبتاً خوبی هستند وبرخی دیگر رسانای الکتریسته نیستند. ولی اگر ذوب شوند، تقریباً به خوبی محلول آبی خود جریان الکتریسته را عبور می دهند.

3-                  محلول برخی از مواد، مانند شکر، به کلی جریان الکتریسته را عبور نمی دهد.

4-         نمکها در حالت جامد ررسانای الکتریسته نیستند،ولی اگر ذوب شوند، تقریباً به خوبی محلول آبی خود جریان الکتریسته را عبور می دهند.

5-                  رسانایی الکتریسته نمکها، خواه در حالت مذاب یا محلول با رسانایی الکتریکی فلزها متفاوت است.

سرانجام نوبت به گازها رسد و آزمایشهای گوناگونی در این مورد صورت گرفت که نتیجه آن کشف اشعه کاتدی بود.

چگونه اشعه کاتدی به شناختن اجزای اتم کمک کرد؟

جریان الکتریسیته با ولتاژ معمولی از گازها عبور نمی کند و حتی با ولتاژ خیلی زیاد هم ، وقتی که فاصله الکترودها زیاد باشد، از هوا یا گازهای دیگر عبور نخواهد کرد. در فشار معمولی برای عبور جریان الکتریسیته از گازی مانند هوا ولتاژی در حدود 000/30 ولت به ازای هر سانتیمتر فاصله الکترودهای لازم است. ولی هرگاه فشار گاز درون لوله را کاهش دهیم تا به حدود 01/0 اتمسفر برسد، جریان الکتریسیته عبور خواهد کرد و بسته به نوع گاز رنگ خاصی نیز تولید می شود. در این شرایط باید در گاز نیز، مانند محلول ، ذرات دارای بار الکتریکی پدید آمده باشد. پیدایش ذرات دارای بار الکتریکی در صورتی قابل توضیح و توجیه  است که درون اتم اجزایی با بار الکتریکی وجود داشته باشد که به هنگام عبور جریان الکتریسته برخی از آنها از اتم جدا شده باشند. پس این « اتم غیر قابل تقسیم » می تواند به اجزای دارای بار الکتریکی تبدیل شود، هرگاه تخلیه را ادامه دهیم و از فشار گاز درون لوله بازهم بکاهیم تا به حدود   اتمسفر برسد، روشنایی درون لوله از میان می رود، ولی بدنه لوله درخشندگی سبز رنگی پیدا می کند . دانشمندان برای اطمینان از اینکه این روشنایی نتیجه بمباران بدنه لوله  به وسیله ذرات دارای بار الکتریکی است ، بارها این آزمایش را تکرار کردند، و در نتیجه ، قبول کردند که در این حالت نوعی پرتو نامرئی از کاتد ( قطب منفی) خارج می شود که بر اثر برخورد با بدنه لوله نور مرئی پدید می آورد . این پرتو را اشعه کاتدی نامیدند. آزمایشهای گوناگونی با کاتدهایی از جنسهای مختلف و همچنین با تغییر گاز درون لوله صورت گرفت ؛ ولی خواص این اشعه به این عوامل بستگی نداشت . آزمایشهای  بسیاری نیز برای تعیین جنس این اشعه  به این عوامل بستگی نداشت . آزمایشهای بسیاری نیز برای تعیین جنس این اشعه همیشه در میدان الکتریکی به سمت قطب مثبت منحرف می شوند، بنابراین دارای بار الکتریکی منفی هستند و جنس آنها نه به جنس کاتد بستگی دارد و نه به جنس گاز درون لوله .

به طوری که ملاحظه می شود اشعه کاتدی ، مانند امواج نورانی به خط مستقیم منتشر می شود. آیا امواج نورانی مانند اشعه کاتدی در یک حوزه مغناطیسی منحرف می شوند؟ جهت انحراف اشعه کاتدی نیز نشان می دهد که باید دارای بار الکتریکی منفی باشد. اشعه کاتدی می تواند پروانه ای را به چرخش در آورد، آیا نور در شرایط کاتدی به جای آنکه یک دسته شعاع مانند شعاع نورانی – باشد، باید به عنوان جریانی از ذرات بسیار ریزی که دارای بار منفی است در نظر گرفته می شود.این جریان از اتمهای فلزی کاتد خارجی از اتمهای فلز کاتد خارج می شود. این ذرات دارای بار منفی در سال 1847 الکترین و در سال 1891 الکترون نام گرفتند و ما امروزه انها را به همین نام می شناسیم.

جزءمثبت اتم چیست؟

همه دانشمندان این نکته را می دانستند که یک اتم روی هم رفته خنثی است، یعنی در ظاهر نه بار الکتریکی مثبت دارد و نه بار الکتریکی منفی . با شناخته شدن الکترون معلوم شد که ظاهر با واقعیت یکی نیست و در اتم ذرات دارای بار منفی وجود دارد. پس، باید در اتم خنثی به همان اندازه بار الکتریکی مثبت وجود داشته باشد. ذرات منفی الکترون هستند که شناخته شده اند. ذرات مثبت چطور ؟ چه نوع ذراتی هستند و چه مشخصاتی دارند؟ هنوز نمی دانیم ، ولی مطئمنیم که وجود دارند؟ و به طوری که گفته شد، دانشمندان ذرات مثبتی مانند یون⁺H  را شناسایی کرده بودند و حتی جرم و با الکتریکی انها را اندازه گرفته بودند. ولی این نکته که این ذره نیز مانند الکترون یکی از اجزای سازنده کلیه اتمها باشد به شدت مورد تردید بود.دانشمندان به دنبال ذره مثبتی بودند که در برابر الکترون جزء مثبت سازنده کلیه اتمها باشد.

کشف اشعه مثبت چه کمکی به شناختن ساختمان اتم  کرد؟

در اولین روزهایی که تلاش برای عبور داد جریان الکتریسته از گازها جریان داشت و توانستند با بالا بردن ولتاژ و کم کردن فشار گاز درون لوله این کار را انجام بدهند، یک سوال مهم ذهن دانشمندان را به خود مشغول می داشت و آن این بود که چرا گاز دورن لوله ، رنگی می شود. این رنگ مربوط به چیست ؟ با کشف کاتدی و از میان رفتن  رنگ در لوله اشعه به طور موقت فراموش شد. البته یک دانشمند هرگز یک مساله علمی را به فراموشی نمی سپارد . در این مورد نیز این طور نتیجه گیری شد که رنگ ، مربوط به ذرات مثبت بوده است. چون ذرات منفی بی رنگ  و نامرئی بودند.

در آزمایشهای گوناگونی  که از لوله ها وگازها و کاتدهای مختلف برای تولید اشعه کاتدی استفاده می شد، بعضی از دانشمندان نیز از کاتد سوراخ سوراخ استفاده کردند. در این حال ، یک دسته شعاع نورمرئی  در پشت کاتد ظاهر شد که رنگ آن بستگی به جنس گاز درون لوله داشت  و شبیه همان رنگی بو که پیش از پیدایش اشعه کاتدی در داخل لوله ظاهر می شد. آزمایشهای گوناگون در مورد این اشعه نشان داد که :

1- در میدان الکتریکی به سمت   قطبی منفی منحرف می شود. پس باید دارای با الکتریکی مثبت باشد. به همین دلیل نیز آن را اشعه مثبت نامیدند.

2- در میدان مغناطیسی ( البته  با شدت بسیار زیادتر از مقدار به کار رفته برای اسعه کاتدی )در خلاف اشعه کاتدی ، عمود بر میدان ، منحرف می شود. یک بار دیگر نتیجه می شود که دارای بار مختلف  جهت با اشعه کاتدی است وچون برای انحراف آن باید شدت میدان خیلی بیشتر باشد، پس جرم ذرات آن بسیار بیشتر است.

3- یک دسته اشعه باریک آن به هنگام انحراف در میدان مغناطیسی بر خلاف  اشعه کاتدی بسیار گسترده می شود و به صورت  یک دسته اشعه پهن در می آید. پس باید ذرات ان دارای سرعتهای گوناگون باشند که این امر می تواند به علت داشتن بار یا جرم گوناگون باشد.

4- مقدار  آن بسیار متغیر وبسیار کوچکتر از مقدار   محاسبه شده برای اشعه کاتدی ( الکترون ) است.

5- جرم ذرات ان بسیار بیشتر از جرم الکترونها و معمولا در حدود جرم اتمها یا مولکولهای گازی شکل اولیه است.

با توجه به این نتیجه گیریها ؛ می توان از ضرب کردن  اندازه گیری شده در جرم اتمی یا مولکولی گاز به کار رفته مقدار بار هر ذره  را پیدا کرد. در این مورد نیز مقدار بار الکتریکی به دست آمده مضرب صحیحی از یک مقدار معین، یعنی همان   است . پس ، در هر اتم ذرات مثبتی  وجود دارد که بار الکتریکی آنها معادل بار الکترون(  است ÷س در هر اتم ذرات مثبتی وجود دارد که بار الکتریکی آنها معادل بار الکتریکی و جرم آنها  در حدود 1840   برابر جرم الکترون است. این ذرات مثبت پروتون نامیده شدند.

آیا در اتم به جز الکترون و پروتون جزء دیگری نیز وجود دارد؟

پاسخ این پرسش نیز مانند بسیاری از پرسشهای دیگری که در مورد ساختمان اتم مطرح شده بود نیاز به آزمایشها و برسیهای متعدد داشت. در آن زمان جرم اتمی شناخته شده بود و دانشمندان می توانستند مقدار تقریبی آن را محاسبه کنند. چون جرم الکترون مقدار بسیار ناچیزی است، نمی تواند در مقدار محاسبه شده جرم اتمی تاثیر چندانی داشته باشد. جرم پروتونهای دریک عنصر نیز نمی تواند تمام جرم اتم را شامل شود. دانشمندان برای حل این مشکل چنین تصور کردند که در هر اتم عده ای از الکترونها با عده ای از پروتونها یکدیگر را خنثی  می کنند. وبه صورت جفت الکترون – پروتون در اتم قرار می گیرند . عده ای پروتون آزاد وجود دارد که معادل همان عدد اتمی عنصر است و به همان میزان نیز الکترون در اتم موجود است.  برای مثال ، در کتاب درسی شیمی سال چهارم سال چهارم متوسطه که در سال 1324 چاپ شده است ، آمده است که در اکسیژن 16 الکترون و 16 پروتون موجود است . از این 16 الکترون  و درهسته می چرخند دانشمندان تلاش می کردند تا این جفت الکترون پروتون را به طور مستقل به دست آورند. اکنون به بررسی برخی زا شواهد و دلایل برای اثبات  یا رد وجود یک ذره مستقل ، یا همان جفت الکترون – پروتون می پردازیم.

آیا همه اتمهای یک عنصر یکسان  ، هستند؟

 به یاد دارید که دانشمندان به هنگام مطالعه  اشعه مثبت متوجه شدند که اشعه باریکی از آن میدان مغناطیسی ، پس از انحراف ، به دسته پهنی تبدیل می شود. این موضوع در موردی که گاز درون لوله خالص باشد نیز معمولاً صدق می کند. گسترده  شدن اشعه نشانه ان است که میزان انحراف ذرات موجود در آن موجود در آن یکنواخت نبوده است ، یعنی بعضی از ذرات بیشتر و برخی کمتر منحرف شده اند. میزان انحراف بیشتر است، و دیگری جرم ذره که هرچه بیشتر باشد، انحراف  بیشتر است، و دیگری جرم ذره که هر چه بیشتر باشد ، انحراف کمتر است.بنابراین ، ذرات موجود در اشعه مثبت حاصل از یک ماده خالص باید از یکی این دو نظر( یا هر دو) تفاوت داشته باشند. تا مسن در دستگاهی ، که

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تصویر آن در این صفحه می بینید، اشعه مثبت را تولید کرد و برای آن ذرات مختلف را از یکدیگر تفکیک کند آن را از دستگاهی شامل یک  میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی  عمود بر هم عبور داد . هرگاه اشعه  از یک نوع یون ازیک ماده خالص تشکیل شده باشد، تحت تاثیر این دو میدان به یک سهمی  شکل قبل تبدیل خواهد شد.

مدلهای اتمی کدامند.

پس از آنکه مسلم شد در اتم اجزای دارای بار الکتریکی منفی ( الکترون ) و اجزای دارای بار مثبت (پرتون ) وجود دارد، این سئوال برای دانشمندان مطرح شد که ذرات منفی و مثبت به چه ترتیب در اتم قرار قرار گرفته اند؟

براساس شواهد تجربی به دست آمده وبرای توجیه واقعیتهای کشف شده تا ان زمان دو فرضیه یا دو مدل  مختلف برای اتم پیشنهاد شد که دلایلی برای اثبات هریک وجود داشت. می دانیم که یک فرضیه تا امتحان نشده است آنچنان اعتباری ندارد که بتوان از آن در موارد گوناگون استفاده کرد. حال ببینیم این دو مدل کدامند و دلایل اثبات هریک چیست؟

الف- مدل اتمی تا مسن

در سال 1904 که وجود ذرات دارای بار منفی و مثبت ( الکترون و پروتون )  در اتم مسلم شده بود، شاید هیچ کس بیشتر از تا مسن ( به سبب مطالعات زیادش در این رشته صلاحیت نداشت. که درباره چگونگی قرار گرفتن این اجزاء در اتم اظهار نظر کند. بیایید با تا مسن برای پیشنهاد مدل مناسبی برای اتم همگام شویم: ابتدا ببینیم چه اطلاعاتی موجود است:

1-        هر  اتم شماره معینی در حدود نصف عدد  مربوط به جرم اتمی یا همان طور که امروزه می گوییم. عدد جرمی الکترون وجود  دارد.

2-        در دستگاه تولید اشعه کاتدی ، اتمهای ماده تشکیل دهنده کاتد به آسانی الکترونهای  خود را از دست می دهند.

3-        الکترونها ذراتی بسیار کوچک با جرم بسیار کم هستند وجرم اتم به طور کلی مربوط به اجزائی دیگر موجود در اتم است.

4-        با آنکه جرم پروتونها بسیار بیشتر از الکترونهاست، ولی مقدار بار الکتریکی آنها با بارالکتریکی الکترونها برابر است.

5-        منشا اشعه مثبت با اشعه کاتدی متفاوت است و این اشعه از برخورد الکترونهای پر انرژی به اتمههای گازی شکل درون لوله اشعه کاتدی ، پدید می آیند. ساده ترین و کم جرم ترین اشعه مثبت از گاز ئیدروژن پدید می آید. که یون مثبت آن در حدود دو هزار برابر الکترون جرم دارد.

حال به نتیجه گیری می پردازیم: چون بخش مثبت اتم قسمت اعظم جرم اتم را شامل می شود، منطقی به نظر می رسد که قسمت اصلی  حجم اتم نیز در اختیار اجزای مثبت باشد. چون الکترونها آسانتر از پروتونها از اتم جدا می شوند؛ پس باید پیوستگی الکترونها به اتم خیلی کمتر از پروتونها باشد. بنابراین :

اتم ئیدروژن عبارت است از کره ای به شعاع تقریبی یک انگستروم شامل بار مثبت که یک الکترون در مرکز آن قرار گرفته و به نحوی به آن متصل است. اتم عنصرهای هلیم، لیتیم ؛ و بریلیم نیز هریک کره ای با بار مثبت هستند که چون بیش از یک الکترون دارند و الکترونهای دارای بار الکتریکی همنام  یکدیگر را می رانند، پس الکترونهای آنها را در دورترین فاصله ممکن از یکدیگر قرار می گیرند، شکل زیر مل اتمی این چهار عنصر را نشان میدهد.

 

 

 

 

 

 

 

افزایش شماره الکترون باعث می شود. که الکترونها بیشتر یکدیگر را دفع کنند و چهار الکترون اول در چهار راس یک چهار وجهی قرار گیرند و الکترونهای بعدی در لایه جدیدی بالاتر از چهار وجهی ، وارد شوند. شاید رابطه ای میان ساختمان لایه ای و جدول تناوبی موجود باشد.

تا مسن، براساس همین مدل اتمی ، سعی کرد خواص تناوبی و چگونگی پیوند یافتن اتمها با یکدیگر را نیز توجیه کند.

ب- مدل اتمی ناگااوکا

در همان سال 1904 دانشمند دیگری از گوشه دیگری از جهان نظریه دیگری ابراز داشت.این دانشمند هانتارو ناگااوگا، فیزیکدان فیزیکدان ژاپنی بود. ناگااوکا با همان همان اطلاعاتی که تا مسن در اختیار داشت نتیجه متفاوتی گرفت. بیایید با او نیز در پیشنهاد مدل اتمی اش همگام شویم:

« چون الکترون به آسانی از اتم جدا می شود، پس باید الکترونها در خارج اتم و قسمت مثبت در داخل اتم قرار گرفته باشد. در این صورت ، برخورد الکترون ( اشعه کاتدی ) به اتمهای گازی عنصری می تواند الکترونهای آن را براند و آن را به یون مثبت تبدیل کند و به این ترتیب اشعه مثبت پدید آید. بنابراین :

اتم عبارت از یک هسته مرکزی شامل بار مثبت و در نتیجه تمام جرک اتم است که به وسیله الکترونهای دارای بار منفی احاطه شده است، همان طور که حلقه های زحل خود کرده زحل را در میان گرفته اند.»

 

 

 

 

 

 

 

تئوری اتمی بور

نیلزبور (1962-1885)  فیزیکدان دانمارکی که از شاگردان تامسون وراترفوربود در سال 1913 با استفاده از :

1-                مدل اتمی را ترفورد

2-                تئوری کوانتایی پلانک

3-        خطوط منفصل طیف عناصر و اکتشافات بالمر وریدبرگ در این زمینه مدل اتمی خود را طراحی و پیشنهاد نمود.

پس از اکتشافات کیرشهف و بونزن در زمینه طیف نگاری ، فیزیکدانان بر روی خطوط طیفی عناصر، بررسی ها و تحقیقات بسیاری را انجام دادند. ده ها هزار خطوط طیفی ، عناصر گوناگون را به دقت اندازه گیری کرده و با نظم و ترتیب خاصی در جدول بلند بالایی مرتب نموده  بودند. تا اینکه « سرانجام یوهان یا کوب بالمر  آلمانی (1898-1825)  برای اولین مرتبه سیسمتی در هرج و مرج این اعداد پیدا کرد. او در  شصت سالگی متوجه شد که چهار خط طیفی در قسمت مربی طیف هیدروژن نامنظم قرار نگرفته اند، بلکه سلسله ای را تشکیل می دهند که می توان به صورت یگانه فرمول نوشت:

     که در آن 2  , n=   و 6و5و4 و3 =k    و   می باشد.

در حقیقت تئوری اتمی نوین را با این فرمول بالمر شروع شد، بالمری که از دوران جوانی تحت تاثیر فلسفه فیثاغورس بود.

در همین راستا در سال 1890 فیزیکدان سوئدی یوهان رابرت ریدبرگ (1919-1845) پیشنهاد کرد فرمول بالمر را به صورت دیگری بنویسند، که تا امروز شکل خود را حفظ کرده است.

در اینجا c سرعت  نور ؛ و R برابر با   می باشد. R را ثابت ریدبرگ برای اتم هیدروژن می نامند.

در حقیقت کوشش برای درک ساختمان طیف همان تلاش کورکورانه برای کشف رمز متنی نا آشنا را به یاد می آورد. این کار طاقت فرسا بیش از یک ربع قرن به طول کشید. و سرانجام این نیلزبور بود که کلید رمز را کشف کرد.

دیدیم که مکانیک کلاسیک از حل تناقضات تئوری اتمی راترفورد عاجز مانده بود. و الکترون چرخنده به دور هسته مثبت اتم ، می بایستی خیلی سریع  پس از انتشار پرتوهایی به داخل هسته سقوط کند.

بورکار خود از اتم ساده هیدروژن که دارای یک الکترون ویک پروتون است شروع کرد. اصول بور در این مورد به شرح   زیر است :

اصل اول : در اتم هیدروژن الکترون با جرم m فاصله r از پروتون و سرعت v در مسیری دایره شکل به دور پروتون می چرخد. چون الکترون نه از اتم خارج می شود و نه به داخل هسته سقوط می کند، پس دو نیروی گریز از مرکز ونیروی جذب به مرکز باهم برابرند .

یعنی                     یا    

 

 

 

 

در نتیجه مطابق اصل اول بور: مدار هایی در اتم وجود دارد که الکترون بر انها می چرخد بدون آنکه تشعشع کند.

اصل دوم : در حرکت دورانی عامل گشتاور مداری یعنی (L ) به جرم (m ) شعاع مدار  ( r) و سرعت دوران v بستگی دارد یعنی  که برای قمرهای مصنوعی این مقادیر متفاوت است. بور ثابت کرد که فرق الکترون در اتم با قمر مصنوعی یا ماهواره در آن است که گشتاور مداری (L  ) آن نمی تواند انتخابی  و دلخواه باشد. بلکه معادل مضرب صحیحی از مقدار  است یعنی :

 وبه این ترتیب ، بور مدارهای ثابت و مشخصی را در اتم از میان انبوه مدارهای متصوره متمایز می سازد. در مقام تشبیه می توان گفت همانطوری که برای دنده های اتومبیل  حالت حد وسط وجود ندارد، یعنی بین دنده و نمی توان دنده دیگری گرفت ، مدارهای اتم نیز بر همین منوال هستند.

اصل سوم: از دو شرط قبلی بور براحتی مقادیر انرژی و شعاع  مدار ثابت بدست می آید .یعنی    و     مدارهای ثابت یا سطوح انرژی اتم را عدد اصلی کوانتومی نام نهاده اند . که با اعداد صحیح یعنی 1و2و3و... و یا با حروف k و L وm و ...  نمایش می دهند. الکترونها هنگام عبور از سطح n به سطح k ( اگر n مداری بالاتر از k باشد مقداری انرژی برابر با  تشعشع می کنند که فرکانس تشعشی آن با  استفاده از فرمول آینشتاین تعیین می شود. یعنی :

طبق اصل سوم : بور وقتی الکترون روی مدارهای ثابتی حرکت می کند نمی تواند نور تابش کند و تابش نور فقط در اثر پرش الکترون از یک مداربه مدار دیگر امکان پذیر است. بور معتقد بود که فرکانس نور تابش شده ارتباطی به فرکانس حرکت دورانی الکترون ندارد، و فقط مربوط به اختلاف انرژی بین مدار ابتدایی و مدارها انتهایی است یعنی :           

 

(بدهی است که  همان مقدار انرژی است که می بایستی به الکترون داد تا از مدار K به مدار n پرش کند.)

نخستین موفقیت تئوری  بور محاسبه شعاع اتم هیدروژن بود. یعنی در حالتی که اتم تحریک نشده و اتم از یک مدار الکترونیکی  تشکیل شده است (n -1   ) در این صورت شعاع اتم برابر می شود با :

                                                                         

این بدان معناست که ابعاد اتم  محاسبه شده از روی فرمول بور(     ) با آنچه نظریه سینتیک  گازها پیش بینی کرده بود، تطبیق می کند. و سرانجام نظریه بور تشریح می کند که چگونگی خواص طیف خطی به ساختمان درونی اتم مربوط است .و این  ارتباط به وسیله همان ثابت پلانک (h) جامه عمل می پوشد این دیگر غیر منتظره بود، ثابت کوانتومومی h که در نظریه تشعشعات دمایی ظهور کرده بود. هرگز احتمال نمی رفت که با اتمها و اشعه پخش شده از اتمها رابطه داشته باشدو از همین جا بود که مکانیک کوانتومی به وسیله تئوری بور جانشین مکانیک کلاسیک گردید.

بوربا خود اندیشیده بود. که اگر حرکت الکترونهای اتم و نور نشر شده ، هر دو ، کوانتومی باشند، پس انتقال یک الکترون از سطح کوانترم بیشتر به سطح کوانترم کمتر در یک اتم باید همراه باشد با نشر کوانترم کمتر در یک اتم باید همراه باشد با نشر کوانترم نوری که در آن hv برابر است با اختلاف انرژی میان دو سطح . به عبارت دیگر مقدار انرژی کوانتومی که به الکترون می دهیم تا به مدار بالاتری برود، الکترون، همان انرژی را به هنگام بازگشت به مدار سابقش از خود تشعشع می نماید: انگیزه بازگشت  الکترون به مدار سابقش نیز به دلیل وجود نیروی  جاذبه  هسته اتم می باشد.

با توجه به روابط زیر:

1-                انتقال الکترون از مدارهای دیگر به مدار اول= ایجاد خطوط سری های لیمان در طیف

2-                انتقال الکترون از دیگر مدارهای به مدار دوم= ایجاد خطوط  سرهای بالمر در طیف

3-                انتقال الکترون از دیگر مدارها به مدار سوم = ایجاد خطوط سری های پاشن در طیف

4-                انتقال الکترون از دیگر مدارها به مدار چهارم = ایجاد خطوط سرهای پفوند در طیف

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

بور نشان داد که طیف، بیوگرافی اتم، و در واقع بیوگرافی الکترونهاست ، اگر درجه حرارت عناصر را افزایش دهیم، الکترون ، زمان بسیار کمی در مدارهای داخلی می ماند، و اتم در حالت تحریک قرار می گیرد. در چنین شرایطی ؛ در هر ثانیه میلیونها فوتون صادر می شود و با افزایش درجه حرارت ، مقدار آنها تصاعدی افزایش می یابد. ( قانون استفان –بولتزمان) البته نه تنها  تعداد فوتونها در حال افزایش است ، بلکه فاصله پرش الکترونهها نیز بیشتر می شود. پرشهای  کوتاه اولیه ، جای خویش را به پرشهای بزرگتر داده و وقتی  الکترونها مدارهای اخیر را ترک می کنند؛ فوتونهای شدیدتری تولید می گردد. هر اندازه انرژی فوتون بیشتر باشد فرکانس آن بالاتر و طول موجش کوتاهتر می شود و در این صورت نور تابشی  متمایل به ناحیه بنفش خواهد بود ( قانون وین)

 

نارساییهای مدل اتمی بور

« فیزیک کلاسیک می توانست درخشندگی خطوط طیف را محاسبه کند، ولی نمی توانست دلیلی برای منشا آن بیابد. تئوری بور قادر بود که منشا خطوط طیف را تشریح کند، ولی نمی توانست شدت خطوط طیف را بدست دهد. از اینرو بور نتیجه گرفت که دو  تئوری  را در مناطقی که کم و بیش باهم موافقند یعنی در ناحیه طول موج بلند ، باید باهم به کاربرد که این بیان به اصل تطابق بور معروف شده است.

اصل تطابق که نخستین  بار در سال 1916 از سوی بور مطرح شده است، هدفش ایجاد پلی میان پدیده های گسسته  میکروفیزیک ( مانند فرو پاشی) که از سوی فیزیک کوانتومی بیان شده است از یک طرف، و پدیده های در ظاهر پیوسته در سطح ماکروسکوپیک ( مانند احتراق ) از طرف دیگر است که فیزیک کلاسیک همچنان یک وسیله بررسی مناسبی  به شمار می آید، حال آنکه اگر بخواهیم به درون اتمها راه یابیم ،؛ آنگاه باید به اجبار دیدگاه خود  تغییر دهیم و عینک کوانتومی به چشم گذاریم.

اما ویلیام براگ (1942-1862) ، دانشمند انگلیسی در پی اعتراض به اصل تطابق بور اعلام  می کند که : « اصل تطابق بور ماننند آن است که در روزهای زوج هفته ، مذهب کلاسیک ، و در روزهای فرد هفته مذهب کوانتیک را تبلیغ کنیم در این صورت دانش به دو خدا معتقد می شود، که این خود دلیلی است بر نارسایی تئوری بور»

« تئوری بور برای طیف هیدروژن و طیف اتمهایی که آخرین لایه آنها تک الکترونی است بسیار موفق بود، اما در مورد  اتمهایی که در آخرین لایه الکترونی خود، دو یا بیش از دو الکترون دارند ، میان تئوری و آزمایش آنها اختلاف دیده می شد. آزمایش همچنین نشان میدهد که وقتی نمونه ای از یک عنصر در میدان الکتریکی و یا میدان مغناطیسی قرار می گیرد، در طیف خطی آن خطوط اضافی پیدا می شود برای مثال  در یک میدان مغناطیسی هر خط معمولی طیف به چند خط باریکتر تجزیه می گردد. ولی تئوری بور نمی تواند به طور کمی علت این تجریه را توجیه کند.

 

 

 

 

 

 

 تکامل تئوری بور

آرنولود یوهان ویلهلم زمر فلد (1951-1868)، یکی از استادان آلمانی در پی اطلاع از مدل بور و مدارهای دایروی متحد المرکز او با خود گفت: اگر اتم شبیه به منظومه شمسی است ، پس الکترونها در چنین سیستمی نه تنها در مدارهای دایره شکل ، بلکه باید در مدارهای بیضی شکل نیز در حال چرخش باشند.

چون در روی یک مدار بیضی شکل ، سرعت الکترون نمی تواند ثابت باشد. باعث تعییرات انرژی جنبشی می گردد، که این تغییرات نیز می بایستی کوانتیکی باشند. در نتیجه، برای الکترون تنها بعضی از مدارهای بیضی شکل مجاز می گردند. وبه این ترتیب دومین عدد کوانتایی بوجود می آید. که گشتاور زوایه ای (L) نام دارد.

این عدد در حقیقت ضریب بیضی بودن مدار را تعیین می کند. به این معنی که با مفروض بودن (n) پهنای مدارات بیضی آن چنان خواهد بود که عدد مداری کوانتومی (L) بتواند اعداد صحیح از صفر تا (n-1)  را بپذیرد ، برای مثال اگر (3n-) باشد ، مدار اتم دارای (L) های 0و1و2 می شود

به عبارت دیگر با در نظر داشتن نظریه نسبیت آینشتاین، چنین به نظر می رسد که انرژی الکترونها در بیضی های مختلف کمی باهم تفاوت دارند. به همین جهت هم ، باید سطح انرژی در اتم را با دو عدد کوانتومی (n) و (L)  شمار ه بندی کرد . وبه همین دلیل هم با خطوط طیفی حاصل از گذار الکترونها از سطوحی با (n) های گوناگون باید دارای ساختار ظریفی باشد ، یعنی به چند خط ظریفتر تجزیه شده باشد.

فردریک پاشن بنابر به خواهش زمر فلد این نتیجه تئوری را آزمود ، و تایید کرد که برای مثال خط هلیوم  که مطابقت دارد با گذار سطح n-4 به سطح n=3 در حقیقت از 13 خط بسیار نزدیک به هم تشکیل شده است. به عبارت دیگر ثابت شد که هر مدار یا سطح انرژی الکترونی ازلایه های انرژی مختلفی تشکیل یافته است . برای هر لایه فرعی نیز اسمی خاص در نظر گرفته شد. مانندL=0 یا S ، L=1 ، 2S= ، و 3L= یا F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ولی حتی این عدد کوانتومی n و L هم نتوانستند همه ویژگیهای طیف را توضیح دهند برای نمونه اگر اتم تشعشع کننده ای را در میدان مغناطیسی قرار دهیم ، آن وقت خطوط طیف به کلی طور دیگری تقسیم می شوند. ( در سال 1896 پیتر زیمان نیز تجزیه خطوط طیفی را در میدان مغناطیسی مشاهده کرده بود.)

فیزیکدانان برای توجیه این مسئله به این نتیجه رسیدنند که ، می توان یک الکترون را با گشتاور زاویه ای مربوطه اش شبیه جریان الکتریکی که در حلقه های سیم پیچ موتور الکتریکی جریان دارد، مجسم نمود. چون جریان الکتریکی در داخل حلقه ، تولید میدان مغناطیسی می کند. لذا می توان گفت: حرکت الکترون در یک مدار مسدود نیز میدان مغناطیسی می نماید. مقدار ( m) مشخص کننده این میدان است وچون ( m) حاصل از گشتاور زاویه ای الکترون است لذا مقادیر مجاز آن مربوط به ارزش عدد کوانتومی گشتاور زاویه ای ( L) می باشد سرانجام ( m) را عدد مغناطیسی کوانتومی نامیدند تئوری و تجرهب نشان میددهد که ( m) می تواند کلیه مقادیر عددی کامل از (L -) تا ( L)به انضمام صفر را داشته باشد. برای مثال اگر       باشد m های آن (2-و1- و0و1و2) می شود.

کم کم مدل اتمی بور ازحالت ساده اولیه دور می شد. اعداد کوانتومی n,L, m معین کننده مدارهای ثابت اتمی هستند که به طور مجزا و منفرد مشخص شده اند ومیدانهای خارجی نظیر الکتریکی و مغناطیسی روی حرکت الکترونهای اتم تاثیر می گذارند ( تجزیه سطوح انرژی )، و این بلافاصله روی ساختار پرتو نوری که اتم پخش می کند ثاثیر می گذارند.      ( تجزیه سطوح انرژی )، و این بلافاصله روی ساختار پرتو نوری که اتم پخش می کند تاثیر می نماید. (تجزیه خطوط طیفی )

پرسش بعدی این بود که چرا خط D سدیم حتی در صورت عدم وجود میدان مغناطیسی باز هم از دو خط بسیار به هم نزدیک D  و D مرکب می باشد؟

تفکرات یکی از شاگردان زمر فلد به نام ولفگان پائولی فیزیکدان سوئیسی (1985-1900) در مورد این مسئله سرانجام  درسال 1924 به کشف اسپین الکترون منجر شد. اسپین در لغت انگلیسی به مفهوم  دوک وئ چرخیدن است که در اینجا به مفهوم گشتاور دورانی یک ذره به دور خودش بحساب می آید . پائولی با خود اندیشید که هر دو خط D و D  با گذار همانندی از سطح به سطح مطابقت دارند.(شکل 11-2 )

 

 

 

 

 

 

 

اما با این همه آنها دو گانه هستند. پس باید یک سطح، دو سطح فوقانی    وجود داشته باشد. و به علاوه نوعی عدد تکمیلی کوانتومی به نام عدد کوانتومی اسپین می بایستی آنها را از بقیه متمایز گرداند. او فرض کرد که اسپین الکترونها فقط می تواند دو مقدار       را قبول کند. ( زیرا الکترون در دو جهت مختلف می تواند به دو خود بچرخد.

از نظر پائولی تصور عینی این خواص غیر ممکن است اما سال بعد جورج یوجین اولنبک (1974-1900) و ساموئل آبراهم گوداشمیت ( متولد 1902) که هر دو هلندی بودند ، مدل عینی برای توضیح این خاصیت الکترون را پیدا کردند. فرض آنها این بود که الکترون حول محور خودن می چرخد. چنین مدلی نتیجه مستقیم تشابه موجود بین اتم و منظومه شمسی بود. زیرا زمین تنها بر روی مدار بیضوی  خود به دور خورشید می چرخد ، بلکه حول محور خود هم می گردد. با این فرق که الکترون بر خلاف زمین می تواند در دو جهت چپ و راست به دور محور خود بچرخد.و این تشابه را کمپتون در سال 1921 و گرونیک در سال 1923 یاد آور شده بودند. ولی پائولی با تشبیه آنان مخالفت داشت.

به هر حال با توجه به این نکته که الکترون دارای بار الکتریکی است. گردش آن در دو جهت مخالف مطابق شکل 11-3 باعث پیدایش قطبهای مغناطیسی و در نتیجه موجب نیروی جاذبه میان آنها می گردد. این نیروی ربایش مغناطیسی ، تا حدوی نیروی رانش الکتریکی میان الکترونها  را جبران می کند در ترسیم ترازهای انرژی جفت الکترون یک اربیتال را به وسیله دو فلش موازی و مختلف الجهت    نشان می دهند.

 

 

حال دیگر همه چیز در سر جای خود قرار گرفته بود. انرژی  S 3 در اتم سدیم تغییری نمی کند چون با گشتاور 0=L تطبیق می کند، اما سطح P 3 به دو سطح مختلف انرژی تجزیه می شود. و به همین دلیل هم به جای دو خط ، نزدیک به هم مشاهده می کنیم.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اصل ممانعت پائولی

مطابق اصل ممعانت پائولی ، در اتم دو الکترون نمی تواند همه اعداد کوانتایشان یعنی تمام n,l,s,m آنها یکی باشد، و می بایستی حداقل در یکی از آنها چهار عدد باهم اختلاف داشته باشند. وبه این ترتیب بود که پائولی توانست  ساختمان درونی عناصر را بر حسب طرز پر شدن پوسته های الکترونی آنها توضیح بدهد.

بر خطوط طیفی همان گذشت که بر هیروگلیفهای مصری گذشت . به این معنی که تا زمانی که آنها را می خواندند، آنها فقط برای هیرو گلیفهای و طیفها گشوده شد برای همگان جالب شدند.

طیفهای قابل رؤیت اتمها نتیجه جابجایی الکترونهایی است که پیوند آنها نسبت به سایرین سست تر می باشد. ولی در هنگام بیشترین تحریک الکتریکی ؛ از اتمها ، اشعه ایکس منتشر می شود، پرتوهایی با انرژی زیاد که حاصل جابجایی  الکترونهای نزدیک به هسته می باشند. هنگایمکه اند فلزی را به وسیله الکترونهای پرشتاب بمباران می کنند. اشعه ایکسی که از آند منتشرمی گردد. مشخص کننده عنصر تشکیل دهنده آند می باشد. به همین دلیل در سال 1912 هنری موزلی (1915-1887)از اهالی انگلستان ؛ که از شاگردان را ترفورد بود به دنبال تشکیل طیف اشعه ایکس برای کلیه عناصر، متوجه شد که:

1-               هر عنصری طیف مخصوص به خود دارد.

2-        فرکانس پرتو ایکس متناسب با جرم اتمی عنصر به کار رفته در آند زیاد می شود. موزلی  با استفاده از مدلهای اتمی بور و راترفورد متوجه شدو که فرکانس پرتوایکس باید مشخص کننده بار هسته اتم نشر دهنده باشد. بنابراین ، او توانست نتایج آزمایشهای خود را در یک فرمول تجربی ، بگنجاند، یعنی :     در این فرمول B و C برای کلیه عناصر، مقادیر ثابتی هستند ، Z عدد صحیحی  است که مقدارش به تدریج در جدول تناوبی و یا به عبارت دیگر تعداد بارهای مثبت هسته اتم است. در نهایت موزلی به این نتیجه رسید که کلیه خواص اصلی شیمیایی یک اتم  به دلیل اتمی آن است نه جرم مربوطه اش ، و این یعنی فهم عمیقتری از جدول مندلیف به کمک مدل منظومه شمسی ، بسیاری از خواص الکترونها در اتم و همچنین رفتار مواد گوناگون قابل توجیه بود. ولی به مرور زمان پرسشهای بی پاسخی نیز پدیدار شدند.واقعیت این است که تعیین محل دقیق الکترون در یک اتم از نظر تجربی امکان ندارد، و فقط می توان راجع به احتمال حضور الکترون در ناحیه معینی از فضا در اطراف هسته صحبت کرد. چنین ناحیه ای از فضا، اربیتال نام دارد. به عبارت دیگر اربیتال فضایی است در اطراف هسته ، که بیشترین احتمال حضور الکترون را دارا می باشد. و چون تراکم نقاط  احتمال وجود الکترون  به صورت ابری در می آید ، به جای مدارات دایره وبیضی شکل از مدل ابر الکترونی استفاده می کنند.

 

 

 

 

 

 

به دنبال این مطلب به جای ترازهای انرژی f,d,p,s  می توان از اربیتالهای f,d,p,s  سخن به میان آورد. آزمایش  و تحقیق نشان میدهد که حداکثر گنجانش هر اربیتال اتمی فقط دو التکرون با اسپینهای      می باشد.و در نتیجه تراز  انرژی s شامل یک اربیتال ، تراز انرژی p شامل سه اربیتال ، تراز انرژی d شامل پنج اربیتال و سرانجام تراز انرژی f شامل هفت اربیتال می شوند.

در اتم لیتیوم با توجه  به تفاوت قابل توجه انرژی یونیزاسیون آخرین سطح نسبت به الکترونهای سطح قبلی ، ابر الکترونی s 2 فاصله بیشتری تا هسته خواهد داشت. این ابر نیز چون وابسته به الکترون s است ، به طوری کروی و متقارن در طول هسته قرار         می گیرد.

 

 

 

 

 

اربیتالهای p کروی نیستند ، بلکه هریک از آنها به شکل دمبل می باشد. سه اربیتال p را می توان در امتداد سه محور فضایی  Z  وY وX  که بر یکدیگر عمود هستند نشان داد هریک از دمبلها نمایشگر اربیتالی است که ممکن است شامل دیک دو الکترون باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

محل  تلاقی این سه محور نیز بر هسته منطبق است. به این ترتیب تراکم الکترونی مربوط به هر یک از اربیتالهای P در هسته اتم، صفر می شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مدل اتمی دو بروی

اگرچه تئوری بور توانست طیف اتمهای تک الکترونی ( در اخرین لایه ) را توجیه کند. با این همه قادر به توجیه صحیحی از طیف عناصر عناصر چند الکترونی نبود. در سالهای 1920 فیزیک نظری با دو اشکال مهم مواجه بود یکی مسئله طبیعت نور و دیگر یکوانتیزه بودن انرژی ، لذا  تدوین مکانیک جدیدی که قادر به بیان مسئله ذره و موج، و نمایش کوانتیکی انرژی به صورت یک اصل اساسی باشد. بسیار ضروری نظر می رسید.

اولین گام در مورد پیدایش مکانیک موجی جدید توسط لویی دو بروی فرانسوی (1960-1892) در سال 1924 برداشته شد و مدتها بود که فیزکدانان عقیده داشتند که پرتوههای الکترومانیتیک عبارات از پدیده های موجی مطلق . اما آینشتاین خاطر نشان کرد که در بعضی آزمایشها این موجهای الکترومغناطیسی خاصیت ذره ای نیز از خود نشان می دهند.

آرتور کمپتون ( کامپتون) (1954-1829) اسبتاد دانشگاه شکیاگو نیز در سال 1923 طی آزمایشی ثابت کرد که پراگندگی اشعه ایکس بر الکترونها هیچ شباهتی به پراکندگی  امواج دریا نداشته و برعکس درست تصادم دوگوی بیلیارد را بخاطر می آورد، که یکی الکترون با جرم m و دیگری کوانتوم نور با انرژی   می باشد.

یک سیم یکپارچه به انواع و اقسام زیادی می تواند به نوسان در آید.، اما همواره در طول سیم ، عدد صحیح نیمه طول موج (   ) جای می گیرد. دوبروی نیز با توجه به این مطلب مدار الکترون را به شکل سیم نوسان کننده تجسم کرد که به صورت حلقه ای بسته در آمده باشد.

 

 

 

 

 

 

چون در سیم حلقوی ، حداقل یک موج کامل () جای می گیردو. نه نیمه موجی  (  ) که در سیم صاف وجود دارد، به این ترتیب حرکت الکترون فقط وقتی پایدار خواهد بود که در طول مدار عدد صحیح n ( موج الکترونی )  جای گیرد. یعنی

دربروی این شرط را با اصل اول بور مقایسه کرد. یعنی : () و از اینجا طول موج الکترون را بدست آورد: () با تکیه به روابط اینشتایق و پلانک در مورد انرژی و فرکانس یک فوتون نیز می توان به معادله دو بروی دست یافت.

(1)          (2)      (3) و (4)

این معادله رابطه بین طول موج و مقدار حرکت یک فوتون را تشریح می کند. دو بروی اظهار داشت که می توان  به کلیه ذراتی که دارای مقدار حرکت p=mv  می باشند طول موجی را مطابق  فرمول بالا نسبت داد.

دوبروی همچنین عقیده  داشت که حرکت الکترون و دیگر ذرات مادی توسط موجهایی هدایت می شود که همراه با ماده در فضا انتشار می یابد. اگر چنین  باشد، مدارهای کوانتومی برگزیده در مدل اتمی بور می توانند همچون مدارهایی تعبیر شوند. که طول آن مدارها شامل تعداد صحیحی از این موجهای حامل باشد برای مثال یک موج در نخستین مدار کوانتومی و دو موج در مدار دوم .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مطابق فرمول دوبروی ، هرچه جرم و سرعت ذره بیشتر باشد طول موجش کوتاهتر می شود. .چون طول موج دو بروی برای الکترون در حدود     سانتی متر پیش بینی می شد ، که در حدود طول موج اشعه ایکس است ) برای تحقیق در اینکه آیا امواجی با الکترونها همراهند یا نه ؛ می توان از تکینک پراش اشعه ایکس استفاده کرد. بنابراین هنگامی که یک دسته الکترون به یک شبکه کریستالی ، تابانده می شود. برحسب قاعده باید انکسار پیدا نماید . واین موضوعی است که برای اولین بار در سال 1927 (یعنی سه سال بعد از نشر نظریات دوبروی ) توسط دانشمندان آمریکایی به نامهای کلینیتون ژوزف دیویسون (1985-1881) و لسترهالبرژرمر ( متولد 18963) آشکار، و سرانجام به عمومیت دادن فرضیه دوبروی و پیدایش مکانیک موجی منجر گشت.

جرج پاچت تامسون (1975-1892) پسر جوزف تامسون نیز توانست تصویری بسیار عالی از پراش الکترونها را بدست آورد، که به طور حتم پراش اشعه ایکس را بخاطر می آورد. این دیگر حادثه جالبی بود:   تامسون بدر ثابت کرد که الکترون یک ذره است، و پس از سی سال پسرش ثابت کرد که الکترون موج است.

 

 

 

 

 

 

 

در نهایت پذیرفته شد. که هر ذره ای از جمله  الکترون و فوتون دارای طبیعت دو گانه موج ذره می باشد ، که در بعضی از آزمایشها خواص موجی بودن و در برخی دیگر خواص ذره ای ان ظاهر می شود. بدین ترتیب بود که مفهموم موج – ذره بوجود آمد.

فیزیکدانان در این مرحله از تاریخ تکامل علم فیزیک ، سه نوع موج را در طبیعت شناخته و به شرح زیر طبقه بندی نمودند:

2-امواج  الکترومغناطیسی  مانند امواج نوری  که محیط مادی باعث کندتر شدن سرعت انها می شود و در نتیجه این گونه امواج در خلاء براحتی عبور می کنند.

موج دوبروی  یا موج منتسب به ماده ، که نه مکانیکی است ( چون در خلاء مطلق می تواند وجود داشته باشد.) و نه الکترو مغناطیسی است ( زیرا دارای بار الکتریکی نیست.

براساس فرضیه دوبروی که تئوری موج وماده نیز نام دارد: ماده تا وقتی که ساکن است از استقلال خاص خود برخور است . ولی وقتی به حرکت در آید موجودی به نام منتسب به ماده از عدم ، بیرون می جهد و به وی می پیوندد. و تا زمانیکه ماده در حال حرکت است موج نیز وی را تعقیب و هدایت می کند.

برای ارزیابی و آشنایی  بیشتر در مورد طول موج امواج دوبروی کره زمین و الکترون را در نظر می گیریم . اگر جرم کره زمین    ، و سرعتش به دور خورشید  سانتی متر بر ثانیه باشد، طول موج ، موج منتسب به زمین برابر می شود با :    

                                                      سانتیمتر        

و این طول بسیار کوچکی است که دستگاههای اندازه گیری  فعلی از ضبط آن عاجزند . اکنون یک الکترون را در نظر می گیریم . جرمش حدودگرم است . اگر الکترون در میدان الکتریک، به اختلاف  پتاسیل یک ولت حرکت کنند. سرعتی برابر  سانتیمتر بر ثانیه  خواهد داشت و از انجا، طول موج ، موج منتسب به الکترون خواهد بود.

و این بار وضع تفاوت زیادی کرده است زیرا سانتی متر تقریباً طول موج اشعه ایکس است ، که فیزیکدانان بسادگی قادر به ضبط و ثبت آن هستند.

 

 

مدل اتمی ها یزنبرگ

فیزکدانان می دانستند که الکترون بر هسته سقوط نمی کند. و تا وقتی که تحریک نشده باشد. تشعشع نیز نمی نماید. تمام اینها بقدری غیر عادی بود که به عقل نمی گنجید، زیرا الکترنئ که از الکترود الکترو دینامیک منشاء گرفته بود، حالا یک مرتبه از تحت نظارت قوانین آن سرباز می زد.

ورنر کارل هایزنبرگ (1966-1901) از شاگردان زمر فلد در بهار سال 1925 بنا به دعوت بور ، از مونیخ به کپنهاک رفت و مانند دیگران در فکر این بود که چرا الکترون از قوانین الکترو دینامیک پیروی نمی کند.

هایزنبرگ  فکر کرد.نمی توان حرکت الکترونها در اتم را همچون  حرکت گوی کوچکی در مسیرش پنداشت . پس در این صورت تلاش  برای پیدا کردن مسیر الکترون در اتم؛ به مفهوم طرح پرسشی  غیر قانونی از طبیعت است . مانند پرسشهایی نظیر اینکه کره زمین بر روی چه چیزی متکی است؟ یا انتهای کره زمین کجاست؟

طرح بور درباره اینکه بر الکترون در لحظه جهش و یا در حال پرواز بین دو حالت ثابت چه می گذرد. چیزی نمی گوید، و و تا هر به حال نیز همه از روی معادلات الکترو دینامیک سعی داشتند یک مسیر فرضی برای الکترون در اتم بیابند ، که همواره تابع زمان باشد . در نتیجه  به

مواضع مشخص الکترونها در لحظات زمانی .... ردیف    را نسبت می دانند.

هایزنبرگ معتقد شد که چنین مسیری در اتم وجود ندارد . و به جای منحنی پیوسته  یک دسته اعداد منفصل  وجود دارد که تعداد آن وابسته به شمارهn  و k آغاز و پایان حالت الکترون می باشد. همان طور که قواعد و مقررات شطرنج با قوانین مکانیک بستگی ندارد،در مورد حرکت الکترون نیز احتیاجی به مفهوم مسیر نیست. یعنی حالت اتم را می توان بسان صفحه شطرنج بی حد و حصری در نظر گرفت که در هر خانه آن عدد نوشته شده است. بدیهی است که مقدار این اعداد بستگی به موقعیت آن خانه ها در صفحه شطرنج اتمی دارد یعنی به شماره n یا ردیفهای افقی (حالت ابتداییه ) و شماره k یا ستونهای عمودی (حالت پایانی ) که در محل تقاطع آنها شماره Xnk قرار دارد.

 

 

 

 

 

بزودی با کمک ماکس بورن (1970-1882)و پاسکوال یوردان (جردان) توانستند بفهمند که اعداد  یک جدول سادهای نبوده بلکه یک ماتریس است. ماتریس ، جدولی است از نوع اعداد که برای آنها عملیات جمع و ضرب کاملاً معینی وجود دارد .برای مثال حاصلضرب دوماتریس بستگی به ترتیبی که آنها ضرب می شوند دارد و   برابر نیست .

البته ریاضییدانان مدتها قبل از هایزنبرگ از ماتریسها اطلاع داشتند و می توانستند با آنها کار کنند، اما خدمت هایزنبرگ و همچنین بورن در آن بود که آنها سد روانی را در هم شگستند و با جسارت ، اندیشه توافق بین خواص ماتریسها و حرکت الکترونها در اتم را پیدا کردند و بدین شکل مکانیک نوین در برابر هر یک از ویژگیهای الکترون یعنی مختصات X،تکان p(mv) و انرزی E یک ماتریس موافق آن قرار داده می شود،

هایزنبرگ حتی یک چیزی هم زیادتر ثابت نمود؛ او روشن ساخت که ماتریس های مکانیکی کوانتایی مختصات  x و دامنه عموما ماتریس نیستند، به غیر از فقط برخی از آنها که از تناسب جابجایی (کموتاسیونی ) پیروی می کنند. یعنی :

که در آن     و می باشد .همچنان هایز نبرگ هم از مجموعه تمام ماترسیها فقط مکانیکی کوانتایی را انتخاب کرد.

پائولی که در 21 ماه 1925 گفته بود: فیزیک دوباره به بن بست افتاده و حداقل برای من فوق العاده مشکل است و ومن ترجیح میدهم که دلقک سینما و یا چیزی شبیه به آن بودم  و چیزی از فیزیک به گوشم نمی خورد. ت در نهم ماه اکتبر  همان سال نوشت:  «مکانیک ها هایزنبرگ سرود زندگی و امید را به من بازگرداند اگر چه حل معماها را بدست نمی دهد؛ یا این همه ؛ بر این باور هستم که اکنون می توان دوباره به پیش رفت .« در سال 1927 هایزنبرگ حدس زد که دو مفهوم  ذره و موج را لااقل می توان در مورد اتم بخوبی بکاربرد، اما تعیین خصوصیات انها فقط جداگانه امکان دارد.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

اگر قصد تعیین وضعیت ( x  ) و یا محاسبه سرعت اکترون (  v) را داشته باشیم می بایستی از پرتوهای نوری جهت تعیین وضعیت الکتروئن استفاده کنیم، اما با توجه به قانون بقا مقدار حرکت یعنی () در چنین شرایطی به محض برخورد فوتونهای اشعه گاما به الکترون به گوشه دور دستی پرتاب می شود. بنابراین در عمل تعیین وضعیت الکترون ؛ دقت عمل برابر با () می باشد، یعنی برابر با طول موج نور استفاده شده. اگر در تعیین وضعیت الکترون (x ) از پروتوهای نورانی که طول موج آنها بسیار کوچک است  . استفاده کنیم ؛ دقت عمل ، زیاد می شود ولی در همین زمان خواه ناخواه مقدار حرکت الکترون (  mv) را تغییر داده ایم.

« به کمک یک فوتون می توان وضعیت (x  ) الکترون را تشخیص داد. این فوتون اگر دارای طول موج    باشد مقدار حرکتش برابر است با:      و چون      پس    از طرفی در برخورد فوتون با الکترون یک قسمت  از این مقدار حرکت به الکترون عدم قطعیتی برابر  با      حاصل می شود . و چون در تعیین وضعیت الکترون دقت عمل برابر است با     لذا حاصل ضرب این دو عدم قطعیت برابر می شود. با  که از اینجا به تناسب عدم قطعیت هایزنبرگ می رسیم یعنی در فیزیک اتمی پدیده و مشاهده جدایی ناپذیرند . در حقیقت مشاهده نیز پدیده است و مسئله در این است که هم دستگاه و هم سوژه درکیک جهان دکوانتایی قرار دارند. و از ادین رو ثاتیرات متقابله آنها هم تابع قوانین کوانتایی است ویژگی اصلی پدیده های کوانتایی نیز همان انفصال و گسستگی آنهاست. تناسب عدم قطعیت هر قدر هم که نامفهموم به نظر آید، بالاخره یک نتیجه ساده دو آلیزم ذره ای – موجی سوژه های اتمی است . پس هر قدر ذره آهسته تر حرکت کند همان قدر طول موجش    زیادتر خواهد بود و همان قدر هم میزان اشتباه   کمتر خواهد شد . اما درست برای چنین ذره ای عدم قطعیت مختصات     خیلی بزرگ است . با تغییر سرعت ذره ما می توانیم    و یا     را تقلیل دهیم ، اما هرگز نمی توانیم  حاصلضرب آنها را تقلیل دهیم و در نتیجه رابطه عدم قطعیت ،گناه این بن بست جدید فیزیک کلاسیک را ؛هم  به گردن خصوصیات دستگاههای اندازه گیری می اندازد، هم به گردن خصوصیات موجی ذره ای خود الکترون.

نارساییهای تئوری هایزنبرگ

« بار الکتریکی ذرات را؛ که با کمک فرمول  هایزنبرگ ها محاسبه نمودند و یک ونیم برابر کمتر از میزان واقعی بار آنها شد. از طرفی فرمول ها هایزنبرگ  جرم ذرات را نیز بدرستی تعیین نمی کند. و بالاخره این تئوری هایزنبرگ و همچنین دیگر تئوریهای  معاصر او وجود داشت؛ همان عدم توجه به وجود میدان جاذبه نیوتنی است» ولی به هر حال ارزش کارهایزنبرگ در این بود که او بدون آنکه از قوانین حساب احتمالات که اداره کننده جریانات در اتم است ، چیزی بداند. ویژگیهای آنها را بخوبی احساس نموده و ماتریسهای خویش را بکار برد.

مدل اتمی شرودینگر

در اوخر سال  1925 یک فیزیکدان اتریشی به نام اروین شرودینگر (19961-1887) در مقاله ای از آبنشتاین جملاتی تحسین آمیز نسبت به فرضیه دو بروی مشاهده کرد . همین خود محرکی بود تا شرودینگر به فرضیه  دوبروی درباره امواج مادی معتقد گردد و آن را ترقی داده وبه پایان منطقی اش برساند.

با مقایسه فرمول دوبروی   با فرمول بور  معلوم می شود که قطر اتم تقریبا سه مرتبه کمتر موج الکترون است .  () اکنون آشکار می گردد که چرا تصور الکترونها به صورت ذارتی در دورن اتم غیر ممکنم است .زیرا در آن صورت باید اجازه داده شود که اتم از ذراتی بزرگتر از خویش تشکیل شده باشد. و همان طور هم که هایزنبرگ گفته بود مفهوم مسیر الکترون در اتم وجود ندارد. پس می توان نتیجه گرفت  که الکترونها در اتم وجود دارند، ولی نه به شکل ذرات بلکه به صورت نوع امواجی .

بنا به نظر شرودینگر طبیعت این امواج الکترونی هر چه باشد، حرکت آنها باید از معادله موجی تبعیت کند یعنی :                 که در آن    ( پسی ) معادله موج ؛   طول   موج a دامنه یا ارتفاع موج، و xمختصات موج نسبت به محور x هاست. حال اگر از طرفین

 

 

 

این عبارت ، رابطه شرودینگر را در مختصات یک بعدی نشان میدهد، که در آن m جرم الکترون ، h ثابت پلانک ، E انرژی کامل الکترون در اتم، V یا u(x) انرژی پتاسیل آن ذر اتم است که نشان می دهد الکترون با چه با نیرویی از فاصله x جذب هسته می شود، و x هم فاصله هسته از الکترون است.

پسی (    )تعریف بخصوصی ندارد ولی ربع قدر مطلق آن یعنی  یک اصطلاح ریاضی جهت پیدا کردن احتمال یک ذره است. یعنی عبارت است از احتمال وجود ذره متغیر از محلی به محل دیگر.

به عبارت دیگر آنچه که در مورد چگونگی حرکت از یک ذره امکان دارد که بدانیم، به شناسایی یک تابع ریاضی از مختصات و زمان منجر می شود یعنی :     این تابع را تابع موج ذره مورد نظر می نامند. مقدار  ، احتمال کل یافتن  بایستی برابر با یک باشد، این نوع تعییر احتمالی مستلزم این است که تابع موج از شرط  زیر پیروی کند.   با این شرط یدگر نمی توان از وجود یک الکترون در یک لحظه معین . و در نقطه بخصوصی  صحبت نمود. بلکه باید گفت احتمال یافتن آن در نقطه ای بیش از نقطه دیگر است. با این حساب می توان تصور نمود که الکترون  به صورت ابری پراکنده شده باشد. و دانسیته این ابر در هر نقطه ، احتمال وجود الکترون را در این نقطه نمایش         می دهد.

حل  معادله شرودینگر نشان می دهد که به ازای کلیه مقادیر (n ) اربیتالهایی که عدد کوانتایی (L ) آنها برابر صفر است (L=0 ) یعنی اربیتالهای (S) شکل آنها کروی بوده و هسته در مرکز این کره قرار دارد. احتمال وجود الکترون مثل بری کروی هسته را در شعاع مشخص و محدودس فرا گرفته است و. در مورد اربیتالهای P سطح      عبارت است از دو کره  شلجمی روی محوری قرینه که هسته در مرکز آن قرار دارد.

آنچه که بر این مدل اتمی شرودینگر ایراد گرفته اند، همانا فرض وجود چنین فضاهای موهومی برای الکترونهاست.

شرودینگر  در ابتدا نشان دادکه پایداری اتم را با قبول اینکه که الکترون  موج است نه ذره ، طبیعی تر می توان توضیح داد. این فرضیه با آزمایشات مستقیم دیویسون ، ژرمر وجورج  تامسون در مورد پیداکردن قابلیت پراش در الکترون بیشتر مورد تایید قرار می گرفت اما سرانجام شرودینگر در اوایل سال 1927 در برابر تضاد میان مکانیک ماتریسی ها هایزنبرگ از یک طرف و مکانیک موجی دوبروی و خودش از طرف دیگر به این مباحثات خاتمه داد و ثابت کرد که هر دو مکانیک موجی دوبروی خودش از طرف دیگر به این مباحثات خاتمه داد و ثابت کرد که هر دو مکانیک موجی دوبروی و خودش از طرف دیگر به این مباحثات خاتمه داد و ثابت کرد که هر دو مکانیک هم ارزهای ریاضی می باشند. و در نتیجه انها در عین حال هم ارزهای فیزیکی  نیز هستند یگانگی غیر عادی خاصیت موجی -ذره ای در فرمولهای بلانک  و دو بروی    نیز منعکس است زیرا انرژی (  E ) وجرم (m ) از خصوصیات ذره ، و فرکانس (v) وطول موج () از نشانه های جریان موجی است. یگانگی علتی که موجب می شود که تا ما در زندگی  روزمره خود متوجه  این دو گاننگی نشویم – همانا کوچکی ثابت پلانک یعنی  (ارگ بر ثانیه ) است.

به خاطر همین نکات بود که بور اصل متممیت یا اصل تکمیل خود را در سال 1927 بیان می نماید. مطابق این اصل اگر چه خواص ذره و موجی ذرات باهم متضادند ولی برای بیان کامل سوژه اتمی هر دوی انها به یکسان لازمند، از این رو آنها نه متناقض  بلکه مکمل و متمم یکدیگرند .سوژه  اتمی نه ذره است و نه موج و ذره نمی باشد. این یک چیز اتمی ، محسوس حواس پنجگانه نیز نمی باشد. فقط می توان آن را تا حدودی به آب دریا تشبیه کرد که خواص موج و ذره را باهم دارا است. بنا به عقیده عده ای ، بور اصل متممیت را نه از راه فیزیک بلکه از راه فلسفه  بدست آورده است. گویا اندیشه متممیت  را او تحت نه از او ثاتیر فیلسوف دانمارکی سورن کی یرکگارد (1855-1813) وضع نموده است.که چگونه است که ماده بیش از ضد ماده از حادثه بزرگ تولید شد؟ نظریات وحدت بزرگ ، در دماهاس بسیار بالا وجود مراحل بسیار آغازین را برای ذرات ایکس فوق  سنگین پیش بینی می کنند . این ذرات سپس به ذراتی  با جرم کمتر تباهی می یابند. ودر این کار می توانند آمیزه یکسانی از ماده (باریونها) و ضد ماده ( ضد باریونها) را تولید کنند. در زمانی دقیقاً              ثانیه  پس از حادثه بزرگ دما به سطحی تنزل می کند که در ان دیگر ذرات ایکس نمی توانند ساخته شوند، و عدم تقارن ناچیزی (باریون جفت نشده در هزار میلیوم جفت باریون – ضد باریون) برای همیشه در کیهان گشترش یابنده وارد می شود و در آن می ماند.

« هر مواجهه یک پروتون و یک ضد پروتون به نابودی هر دو می انجامد و تنها پروتونهای اضافی (یکی در هزار میلیون ) باقی می مانند . ما همه کهکشانها ، ستارگان سیارگان و موجودات زنده کیهان را به این عدم توازن ناچیز مرهون هستیم      ثانیه  پس از حادثه بزرگ تا زمان حال) جالب توجه است که همان نیروهایی که باعث تشکیل جهان هستند (عدم تقارن ماده – ضد ماده ) ان را به انقراض می رانند ( تباهی پروتون و از آنجا بی ثباتی ماده)

برحسب نظریات وحدت بزرگ ، اگر انرژی انفجار بزرگ از انرژی جاذبه کل عالم بیشتر و یا با آن مساوی باشد ، عالم به انبساط خود تا ابد ادامه میدهد. اگر انرژی  جاذبه بر انرژی انفجار بزرگ فزونی داشته باشد، ماده و عالم ، قابل انقباض اند.و تراکم مجدد ، آن ر به مرحله اولیه می رساند تا شاید با انفجار بزرگ دیگری ، عالم دیگری پدید آید. شگفت آور این است که در برآورد کل جرم تقریبی  کیهان ، این جرم را در حدی تخمین می زنند که در منطقه بحرانی بین این امکان قرار دارد. یعنی در ظاهر سرنوشت کیهان به مویی بسته است.

ذرات بنیادی

معلوم شده بود که تمامی مواد از مولکولها ، مولکولها از اتمها ، و اتمها نیز از پروتونها، نوترونها و الکترونها تشکیل شده اند اما خود ذرات اتمی از چه چیزی ترکیب شده اند ظاهراً از ذرات بنیادی  اما خو د این ذرات بنیادی چه هستند؟

بعدزاز کشف نوترون در سال 1932 ، کشف ضد الکترون در سال 1932 ، کشف مومزونها در سال 1937 و کشف پی مزونها در سال 1947 ، باتلر و روچستر ، دو پژوهشگر انگلیسی  ، در اشعه کیهانی رد ذره ای را یافتند که آن را لاندا (8 یا   ) نامیدند ؛ این ذره در حقیقت  اثری برجا نمی گذارد ؛، و به یک پیون منفی تجزیه می گردد.

سپس اشعه کا (k) و اعضای خانواده اش کشف گردیدند. این ذره به دو پیون مثبت و منفی تجزیه می شود. بدنبال ان در سال 1955 ضد پروتون ، در سال 1965 ضد نوترون و در سال 1960 نیز هیپرون آنتی سیگما بدست آمد.

با الهام از جدول مندلیف ، موری گلمان ( جلمان) آمریکایی و نی شی جیای ژاپنی در سال 1955  اولین تابلوی طبقه بندی شده ذرات بنیادی را ساختند . ولی این تابلو فقط یک جدول بندی  ساده ای بود که بر خلاف جدول مندلیف ، هیچ قانونی را منعکس نمی کرد.

گروهی معتقد بودند که سنگ بناهای اولیه با یکدیگر جمع می شوند. و نیروهای واکنشی میان آنها ، چون ملات و سیمان، آنها را بهم هم می چسباند، و ذره پیچیده تری را پدید می آورند، برای مثال فرمی و یا یانگ عقیده داشتند که مزونی از دو ذره تشکیل شده است (یعنی از نوکلئون و آنتی نوکلئون ) گروه سومی نیز معتقد بودند که در ساختمان هر ذره بنیادی ، نوکلئون (پروتون و نوترون ) وجود دارد . بنابراین نوکلئونها از همه ذرات بنیادی دیگر بنیادی ترند. فیزیکدان ژاپنی ، سی ایشی ساکاتا، معتقد بود که همه ذرات ، از نوکلئون و ذرات لاندا ساخته شده اند . فیزیکدان دیگر ، موریس گلدها ماده اولیه سازنده  عالم را مجموعه ای از نوکلئون و مزون کا (k) می دانست.

از نظر موری گلمان کلیه ذرات بنیادی در اصل از کوارک بوجود آمده اند گلمان کلمه کوارک را از یکی از داستانهای جیم جویس به نام عزای فینگان اقتباس کرده است ، از آنجا  که کلاغها می گویند : « سه کوارک برای آقای مارک » یا سه قار قار به افتخار آقای مارک»

بنا بر فرضیه مارکوف دانشمند روسی همه ذرات از نوکلئون و انتی نوکلئون  بوجود می آیند. که اگر این تعداد فرد باشد فریمونها ، و اگر این تعداد زوج باشد بوزنها پدید می آیند. کوشش مارکوف بر این بود که تعداد ذرات بنیادی  را تقلیل دهد ، ولی برخی مشکلات ریاضی و نتایج مغایری که در فیزیک هسته بدست آمد، سبب کنار گذاردن تئوری مارکوف گردید . در ژوئیه 1958 رابرت اپنهایمر پدر بمب اتمی آمریکا و ناظر ساخت اولین پیل اتمی ، بر چگونگی رده بندی ذرات بنیادی تجدید نظر کرد. به نظر وی ، می توان تعداد آنها را به شش ذره و میدان تقلیل داد. اما وی نیز نتوانست تئوری مقبولی در این باره خلق کند.

چندی پیش دانشمند روسی زلد ویچ اعلام نموده است که به نظر وی همه ذارت به غیر الکترون ، پوز موئون ، از ماده واحده ای به نام کوارک ساخته شده اند.

به هر حال هنوز کسی نتوانسته قانونی حاکم بر ذارت 0بنیادی بیابد، که در ضمن تصویری از ماده اولیه سازنده این ذ رات و عالم را نیز بدهد آنچه  که از این ذرات می دانیم بسیار کمتر از آن است که پاسخگوی همه پرسشهای ما باشد، و تئوریهای جدید ذرات بنیادی همگی د ارای کمبودهایی چند هستند.

اولیه نقض بزرگ آنها این است که ذرات بنیادی را مانند نقاط مادی در نظر می گیرند . یعنی چیزی عاری از حج و گسترش ، که در عین حال دارای جرم و دیگر خصوصیات اجسام مادی است همه کوششها برای دخالت دادن حجم ذرات در معادلات کوانتوم مکانیک با بن بست و تناقضاتی مواجه شده است، که از جمله می توان خصوصیات نسبی فضا وزمان را ذکر کرد. نمایش یک ذره همانند نقطه ای بی حجم و رضایتبخش نیست . زیرا ابعاد برخی از این ذرات چون پروتون اندازه گیری شده است. و ابعاد  ذرات را دیگر نمی توانیم صفر بگیریم نقض دیگر این تئوریها در این است  که نمی توانند بگویند چرا پارامترهای فیزیکی  ذرات باید همین مقادیری باشند ، که دارند، و چرا مقادیر دیگر نیست . برای مثال چرا جرم الکترون  گرم است و مقدار دیگری نیست و چرا دنیای ذرات ریز صحنه  واکنشهایی این چنین  است و از نوع دیگر نیست. به عبارت دیگر تئوری ذرات بنیادی قادر نیست پارامترهای  فیزیکی و واکنشهای مجاز و غیر مجاز را تقسیم بندی کند و جدا سازد.

سومین نقص اساسی این تئوریها ان است که ، تناقض موجود میان کوانتوم مکانیک و تئوری  نسیب را برطرف نمی سازند. هر چند که هر دو را نیز در حل مسائل و مشکلات بکار می گیرند.

کلونتوم مکانیک مرز مشخص  اجرایی در فضا و زمین ندارد ؛، و بعلاوه مسئله اتفاق و احتمال را می پذیرد ولی تئوری نسیت همه حوداث را به گذشته ، حال و آینده تقسیم می کند و از حوداثی که اینجا و انجا رخ می دهد سخن می گوید. و تنها بر حوادث الزامی تکیه می کند. اصول نسبیت  اتقاق را به کلی حذف می کنند. آیا همه این نقایض ناشی از این نیست که ما برخی از خصوصیات ماده اولیه را ، که از حوزه کوانتوم مکانیک خارج می شود. ندیده می گیریم . کسانی چون ژان پل ویژیه از فرانسه دیراک و هایزنبرگ تلاشهایی برای رفع این نقایض کرده اند و ولی تا کنون تئوری رضایت بخشی که همه جنبه های دنیای ذرات ریز ماده اولیه را در برگیرد، عرضه نشده است.

تاریخچه پژوهش در ذرات بنیادی را می توان به سه دوره تقسیم کرد:

1-        دوره اول: که از سال 1897 تا سال 1932 طول کشید و با کشف الکترون، پرتون ، نوترون اثر فوتو الکتریک و اثر کامیتون همراه بود. در این دوره مکانیک کوانتومی و نظریه نسیت خصوصی بسط یافت.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-        دوره دوم : که از سال 1932 تا حدود سال 1960 طول کشید. در این مدت ذراتی کشف شدند که در ماده معمولی وجود نداشتند و اندک زمانی بعد از بوجود آمدن متلاشی می شدند، هرکدام از این ذرات ناپایدار و عمر متوسط معینی  بین    تا     ثانیه داشتند ذراتی که به این طریق کشف شدند شامل موئونها ، مزونهای پی وکا هیپرونهای لاندا وسیگما و کسی بودند . در این دوره پوزیترون و ضد پروتون نیز کشف شدند.

این ذرات  که وجودشان را نظریه کوانتومی نسبیتی دیراک پیش بینی کرده بود، خود به خود متلاشی نمی شوند، اما در جوار ماده ، به ترتیب با الکترون و پروتون ترکیب می شوند و ذرات سبکتری را بوجود می آورند تا سال 1960 در حدود 30 ذره شناخته شده بود.

3- در دوره سوم یعنی از سال 1960 تاکنون، تعداد ذرات بنیادی شناخته شده بسرعت افزایش یافته است. بیشتر این ذرات بسرعت و در مدتی کمتر از   ؟؟ ثانیه به ذرات دیگر تلاشی می یابند. ذره ای که با این سرعت متلاشی می شود چندان راهی نمی پیماید که از خود ردی بجا گذارد بنابراین برای اثبات وجود ان باید از چیزهایی دیگر استنباط گردد. این کار با مشاهده فراورده های تلاشی  انجام می گیرد با استفاده از قوانین بقای انرژی ذره فرضی ، که به این فراورده های تلاشی یافته است، تعیین می شود.

2- طبقه بندی از نظر جرم: که بر حسب سنگینتر شدن عبارتند از:

الف- لپتونها که از سبکترین ذرات بنیادی تشکیل شده اند و از جمله  ذرات این گروه می توان از الکترون ، پوزیترون ، نوترینو، آنتی نوترینو ، مومزون منفی و مومزون مثبت (موئون ) و.. نام برد.

ب- مزونها که دارای اجرامی متوسط هستند. که از جمله ذرات  این گروه می توان از پی مزون منفی ، ، پی مزون مثبت (پیون ) پی مزون خنثی ، کامزون منفی ، کامزون مثبت (کائون) ، کامزون خنثی و ضد کامزون خنثی  و... نام برد.

پ-باریونها یا ذرات سنگین که شامل ذراتی مانند پروتون ، ضد پروتون ، نوترون و ضد نوترون می باشد.

ت- هیپرونها یا ذرات بزرگ که ذرات این گروه شامل لاندای خنثی ، ضد لاندای خنثی ، سیگماهای مثبت و منفی و خنثی و ضد سیگماهای مثبت و خنثی ، کسی خنثی ، ضد کسی  خنثی منفی و ضد کسی منفی و..  می باشد.

 فوتون و گراویتون را که دارای جرم حالت سکون صفر هستند به طور معمول در هیچیک از گروههای نامبرده جای نمی د هند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3- بوزونها و فرمیونها ، این طبقه بندی براساس رفتار ذرات بنیادی می باشد بوزونها ذراتی هستند که همزیستی با یکدیگر را دوست دارند و در هر حالت  کوانتیک میتوان به تعداد دلخواه از آنها پیدا کرد. اسپین  این ذرات برابر با حاصلضرب یک عدد صحیح  در  می باشد. فوتونها و مزونهای پی از جمله بوزونها محسوب می شوند . فرمیونها ذراتی هستند که آسپین انها برابر  با حاصضرب یک عدد فرد. نیمه در    است  فرمیونها بر خلاف بوزونها انزوا گرا وتک رواند . الکترون ، پروتون از این گروهند. وبه هیچ وجه حاضر به زندگی در کنار همجنسان خود نیستند. در هر حالت کوانتیک نیز تنها یک فرمیون  می توان یافت نه بیشتر . همان طور که گازها از مکانیک آماری ماکسول – بولتزمان = پیروی می کنند لوزونها از مکانیک آمار بوز خ آینشتاین،  و فرمیونها از مکانیک اماری فرمی دیراک متابعت می کنند .

فرمیونهای شناخته به دو دسته لپتونها و باریونها تقسیم می شوند. لپتونها ( مشتق از کلمه ای یونای به معنای سبک ) عبارتند از الکترون ؛ موئون  نوترینوی الکترون ، نوترینوی موئون ( و همچنین ضد ذره هایشان ) جرم لپتونها به طور نسبی کم و همگی دارای اسپین  هستند.

لپتونها دارای خاصیت بار مانند دیگری هستند که عدد لپتونی نامیده می شود. به این ترتیب که عدد لپتونی فرمیونها 1+  و عدد لپتونی ضد ذراتشان 1- است در هر واکنشی که لپتونها در آن شرکت  کنند، حاصل جمع جبری اعداد لپتونی باید ثابت بماند. ( قانون بقالپتونی ) ولی تا این همه عدد لپتونی منشائ هیچ کنش شناخته شده ای نیست . در سال 1961 بود که مطالعه درباره نوترینوها در آزمایشگاه بروکهیون توسط ملوین شوارتز و دیگران آغاز شد انها در سال 1962 نشان دادند که دو نوع نوتر بتو وجود دارد: یکی وابسته به موئون (نوتروینوی موئون ) ودیگری وابسته به الکترون (نوترینوی الکترون)

باربونها از جمله فرمیونهایی هستند که اسپین آنها برابر با حاصل ضرب عددی فرد- نیمه در ست و جرمشان برابر یا بیشتر از جرم پروتون است  ( باریون در لغت یونانی به معنای سنگین است) و پروتون از جمله ذرات این گروه محسوب می شوند.

اینکه چرا بار الکتریکی باریونها و لپتونها برابر  است یکی از پرسش های بی پاسخ فیزیک است. باریونها نیز خاصیت بار مانندی به نام عدد باریونی دارند. عدد باریونی برای باریونها 1+ و برای ضدباریونها 1- است ذرات دیگر هیچکدام عدد باریونی ندارد. کنشهای متقابل قوی موجب می شوند که باریونها بسرعت با یکدیگر تبدیل شوند. به همین دلیل مطالعه  کنشهای متقابل قوی از زمانی که نخستین شتابگر پر انرژی در 1952 ساخته شد تا کنون، از حوزه های مهم پژوهش فیزیک تجربی بوده است.

در مورد اسپین ذرات بنیادی باید گفت هر چند این ویژگی ذرات را به چرخش فرفره تشبیه می کنند ولی در این مورد نکاتی وجود دارد از جمله اینکه:

1-               در فرفره یک سطح خارجی وجود دارد که حول محور فرفره می چرخد.

2-               سرعت فرفره  متغیر است.

3-               گشتاور مداری یا گشتاور جنبشی فرفره ثابت نیست.

اگر عامل خارجی قصد  کند که چگونگی حرکت ذرات بنیادی را تغییر دهد، ذره ، متلاشی و نابود می شود ولی تن به این کار نمی دهد هر چند کاشفین اسپین ، بسادگی آن را چرخش اختصاصی الکترون می دانستند اما از دیدگاه مکانیک کوانتا،  که الکترون را مانند یک نقطه  تصور می کند. محور یک نقطه مفهومی  نخواهد داشت. از این رو چرخش یک نقطه به دور خودش و یا روی خودتش نیز بی معنی می شود.

« اشکالی که پیش آمده ناشی از این حقیقت  است که راهی برای مشاهده اسپین وجود ندارد همان طوری که نتوانسته این تصویر قانع کننده ای از موج – ذره الکترون ویا ذره – موج فوتون بدست آوریم . وجود اسپین الکترون اتمی از اینجا روشن می شود که به گشتاور زوایه ای ناشی از حرکت الکترون به دور هسته ، مقداری را که وابسته به حرکت اختصاصی آن است می افزاییم . این مقدار بستگی به نزدیکی و دوری الکترون از هسته نداشته و برای یک الکترون آزاد یا وابسته تفاوتی ندارد و در واقع اسپین الکترون همیشه ثابت بوده و از الکترون  جدا ناشدنی است . همچنین باید دانست  واحد اسپین برای کلیه ذرات   انتخاب شده است.»

در دهه 1930 تا حدودی تصویر متفاوتی از ذرات بنیادی پدید آمده بود: در مجموع چهار ذره بنیادی در دو خانواده دوتایی وجود  داشت. الکترون و نوترینو که جفتی به نام لپتونها را تشکیل می دادند؛ و پروتون نیز که جفتی بنام هاردونها را به وجود می آورند.

از سال 1945 تا 1974 فیزیکدانان بیش از 100 نوع ذره یافتند که از کنش متقابل قوی متاثر می شدند ( از آن پس به این مجموعه عنوان هادرونها داده شد ) در حالیکه   فقط دو نمونه جدید لپیون (ذراتی همچون الکترون که نیروی قوی را احساس نمی کنند) کشف کرده بودند. این لپتونهای جدید عبارت بودند از : موئون (مومزون ) و یک نوترینوی دوم.

دانشمندان احساس کردند که انواع ذرات بقدری زیاد شده اندکه همه نمی توانند بنیادی باشند. در جریان مطالعه نیروی قوی ، الگوهایی  منظم در میان هادرونها پدیدار شد. این الگوها ، که به راه هشتگانه  معروفند. نقشی عمده در تحول بعدی درک فیزیکدانان از ذرات بنیادی ایفا کردند . در نهایت معلوم شد که هادرونها ذراتی به نام کوارک تشکیل شده اند. در نتیجه ذرات بنیادی عبارت شدند از لپیونها و کوارکها

« اکثریت عظیم هادرونها را می توان با فرض وجود فقط دو نوع کوارک یک کوارک بالا ((up   و یک کوارک پایین  فهمید برای مثال نوترون و پروتون به ترتیب عبارت می شوند از ddu ( دوکوارک d یک کوارک u ) uud

از خواص کوارکها این است که بار الکتریکی آنها در مورد کوارک u دو سوم  لار پروتون و در مورد کوارک d ، منهای یک سوم بار پروتون است»

هادرونهایی که قبل از 1974 کشف شدند و در این تصویر با کوارکهایی بالا و پایین نمی گنجیدند  خاصیت نامعمول دیگری داشتند که شگفتی نامیده می شود.

در اواخر دهه 1920 آزمایشگران نشانه هایی  بر وجود ذارتی یافتند که اگر چه در واکنشهای هسته قوی ایجاد شدند ، ولی به نظر می رسید که زمان تلاشی آنها را ذرات دیگر با استحاله های نیروی هسته ضعیف شده بودند.  این ذرات جدید را ذرات شگفت نام نهادند.

اما در سال 1974 که ذره نامتعارف دیگری به نام مزون (جی یایسی )توسط برتون ویچر کشف شد و معلوم شد که در حدود 1000 مرتبه زمانی که نظریات مندوال انتظار داشتند و دوام دلیل طول عمر  چنین فهمیده شد که این ذره حاوی یک کوارک و یک ضد کوارکی به نام کوارک دلبربایی است که دلربایی آنها برابر ولی مختلف العلامت می باشد این نام را، شلدن  گلاشو وجمیز بیورکن بر آن نهادند پیش از آن نیز آنان در نظریه تقارن کوارک – لیتونی خود به چاشنی کوارک چهارمی احتیاج داشتند.

معلوم شد که کوارکها قابل  به یکدیگرند . برای مثال در طی تبدیل نوتروم به پروتون یک کوارک d هنگامی که به کوارک u تبدیل می شودe   و vc نیز بوجود می آید.

 

 

 

همچنین  در هنگام تبدیل کوارکهای  دلربا یا (افسونگر )وشگفت انگیز به یکدیگر موئون و نوتوینوو نوترینوی نیز بوجود می آید. یعنی .

 

 

 

گویی طبیعت کوارکهای دلربا و شگفت انگیز نروتون و یا نوتربنی ان به صورت کپی هایی از کوارکهای بالا و پایین و الکترون نوترینوی ساخته است. به این جفتهای کوارک و لیتون به عنوان نسلهای ذرات بنیادی اشاره می شود. کوارکهای بالا و پایین الکترون و نوترینوی آن نسل الوندر و کوارکهای دلربا وشگفت انگیز موئون و نوترینوی این نسل دوم می باشد. در زمانی که فیزیکدانان هنوز نمی دانستند که چرا طبیعت خود را تکرار می کند، مارتین پرنل و همکارانش در سال 1975 در دانشگاه آمریکا نسل سومی از لپتونها را کشف کردند. این لپتونهای جدید ذره تاوه و نوترینوی مربوط به آن می باشند. تا و از پروتون سنگینتر است و از این رو نام لپتون به معنای سبک بر آن بی مسمی است به این دلیل  است که امروز اصطلاح لپتون را فقط برای مشخص ذراتی به کار می بریم.  که از نیروی قوی متاثر نمی شوند.  آیا در نسل سوم نظیری  نیز برای کوراکها وجود دارد؟ این از موارد عمده ای است که در حال حاضر فیزیکدانان سرگرم تحقیق بر روی آن هستند . کوارک پنجمی به نام ته یا پایین (bottom ) نیز  که بار آن منهای یک سوم است در سال 1977 کشف شد که نامزد اصلی نسل سوم کوارکهاست .

اگر براستی نسل سومی از کوارکها وجود داشته باشند، باید کوارک سر یا فوق( (Top با بار دو سوم ، که همزاد کوارک ( b )    است در انتظار آن باشد که کشف شود همانطور که مزونها به عنوان ماده ای چسبنده بین پروتونها و نوترونهای هسته به حساب می آیند ، بنا به فرض کوارکها نیز به وسیله ذره ای فرضی به نام گلوئون در کنار یکدیگر قرار می گیرند. این نام از واژه Glue) ) به معنای چسب، گرفته شده است . بنا این فوتونها به عنوان ذره حامل نیروی الکترومغناطیسی ذرات w و z به عنوان ذره گراویتون به عنوان حامل نیروی گرانشی شمرده می شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 در هر نسل جرم کوارکهای b,s,d,..  و... بزرگتر از جرم لپتونهای باردار نظیرشان است . اما نسبت به انها با افزایش جرم ، کم می شود.

 

 

اگر این نظیریه درست باشد و اگر نسلهای دیگر کشف شوند. جرمهای لپتونها و کوارکها به هم نزدیک شده و سرانجام در جرمی در حدود    برابر جرمت پروتون ، اندازه جرم هایشان برابر می شود. در چنین مقیاسی  از جرم، گرانش وارد صحنه می شود. و کسی نمی داند. که آن وقت چه روی می دهد.

در حال حاضر برای هر کوارک سه حالت رنگی در نظر می گیرند . البته  این رنگها ارتباطی با رنگ عادی اجسام ندارد، و در واکنشهای الکترو مغناطیسی نقشی مشابه با بار الکتریکی  ایفا می کنند.

 درجمع بندی آخرین  نظریات اتمی می توان گفت که همه ذرات بنیادی جهان در دو گروه کوارکها و لپتونها طبقه بندی می شوند.

 

 

 

 

 

نیوتن با تئوری گرانشی خود فیزیک زمین و فیزیک فضائی را به هم ÷یوند داد. ماکسول به یکی بودن میدانهای الکتریکی و مغناطیسی پی برد و نور را نیز در این دو میدان جای داد. آینشتاین با کمک نسبیت خود مشابهت میدانهای الکترومغناطیسی و گرانشی را روشن ساخت. و سرانجام محمد عبدالسلام و جوگش پاتی فیزیکدان هندی حتی کوارکها و لیتونها را نیز ذرات بنیادی واقعی نمی دانند که اینها نیز از ذراتی به نام پریون تشکیل شده باشند.

آینشتاین در کتاب تکامل علم فیزیک می نویسید: هر پیشرفتی پرسشهای جدید را نیز همراه خود می آورد. و همراه هر تکاملی ،اشکالات تازه و عمیقتری آشکار می شود. علم کتابی نیست که به آخر رسیده باشد و هرگز چنین نخواهد بود ..... در علم هیچ تئوری جاودانی وجود ندارد....

هسته اتم و واکنشهای هسته ای

از اجزای هسته اتم چه می دانیم ؟

بحث ما بیشتر درباره آرایش الکترونی اتم بود، ولی مطالعه هسته اگر به اندازه آرایش الکترونی جالب توجه نباشد، مسلما خسته کننده نخواهد بود.

واقعیت آن است که همان طور که دانش انسان درباره فضا بیش از اطلاعات او درباره هسته زمین است، در مورد اتم نیز این هسته کوچک و مرموز برای انسان ناشناخته تر از آرایش الکترونی باقی مانده است. اطلاعاتی که تاکنون درباره هسته اتم داریم عبارت است از:

1-        هسته اتم قسمت جرم اتم  تمام بار مثبت آن راشامل می شود. بار مثبت هسته مربوط به ذراتی به نام پروتون و جرم ان مربوط پروتون و ذره دیگری ب هنام نوترون است. این دوره ذره اصلی تشکیل دهنده هسته را نوکلئون می نامند. تراکم جرم در هسته به قدری زیاد است که هر گاه می توانستیم یک سانتیمتر مکعب از هسته اتمها را درکنار هم داشته باشیم، در حدود ؟ گرم جرم داشت، یعنی در حدود صد میلیون تن!

 

 

 

 

منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنید
اين مطلب در تاريخ: دوشنبه 15 دی 1393 ساعت: 22:22 منتشر شده است
برچسب ها : تحقیق درباره هسته اتم,

تحقیق رایگان

سایت علمی و پژوهشی آسمان

تحقیق درباره هیدرولوژی چیست ؟

بر اساس آخرین مطالعات تا کنون 5 میلیارد سال از عمر زمین می گذرد و شواهد نشان میدهد که آب از همان ابتدای تشکیل کره زمین نقش مهمی در تحول و قابل سکونت کردن آن به عنوان تنها سیاره قابل زیست داشته است . با تشکیل اقیانوسها و دریاها و تشکیل بخار از روی آنها و ایجاد ابر و بارندگی و به طور کلی گردش آب در طبیعت و جاری شده آب در رودخانه ها و بازگشت مجدد آن به طروق مختلف به اقیانوسها ، ابتدا زندگی اولیه با گیاهان و جانداران پست آغاز شد و سپس گیاهان و حیوانات عالی به وجود آمدند .

پیوسته زمین که از سنگهای آذرین سرد شده تشکیل شده بود در اثر تماس با هوا و جو تحت تأثیر پدیده هوازدگی قرار گرفت و تغییرات همزمان آب ، دما و یخبندان باعث تکه تکه شدن سنگها شده و جاری شدن آبها ، آنها را جابه جا کرده و دشتهای وسیعی را که دارای پوشش خاک بودند به وجود آوردند . این پوشش خاکی همراه با آب قابل دسترس در طبیعت محیط مناسبی را برای رشد گیاهان فراهم شد و محیط مناسب برای زندگی بشر آماده و مهیا گردید . انسان های نخستین از آب تنها برای شرب استفاده می کردند و به تدریج با پیشرفت تمدن و گذشت زمان از آن برای گردش آسیاب ها ، کشاورزی و حمل ونقل نیز استفاده کرد.

همزمان با پیشرفت تمدنها استفاده از آب نیز شکل تازه ای به خودگرفت به طوری که در بسیاری از زمینه ها ، از کشاورزی گرفته تا صنعت و از همه مهمتر تولید انرژی از آب استفاده می شود و امروزه دسترسی به آب کافی و با کیفیت مناسب در زمان و مکان مناسب مد نظر می باشد و هر گونه کمبود آب را مانعی در جهت توسعه پایدار می داند به همین دلیل هر ساله سرمایه های زیادی برای توسعه منابع آب و طرحهای مرتبط با آن مثل سدسازی و احداث شبکه های آبیاری و زهکشی ، آبخیزداری ، مهار سیل و تغذیه آبهای زیرزمینی انجام می دهند.

سیکل (چرخه) هیدرولوژی چیست :

گردش آب در طبیعت که به آن سیکل هیدرولوژی یا چرخة آب گفته می شود ، عبارت است از حرکت و جابجائی آب در قسمتهای مختلف تحت تأثیر نیروی متفاوتی از جمله نیروی جاذبه ، نیروی ثقل ، تغییرات فشار و انرژی خورشیدی می باشد . این چرخش در سه بخش مختلف کره زمین یعنی اتمسفر (هواسپهر) یا چون هیدروسفر یا آب سپهر ، لیتوسفر یا سنگ سپهر صورت می گیرد . آب در داخل و بین این سه لایه در لایه ای به ضخامت 16 کیلومتر صورت می گیرد که 15 کیلومتر آن در اتمسفر و تنها 1 کیلومتر آن در داخل لیتوسفر قرار دارد . سیکل هیدرولوژی در واقع یک سیکل بدون ابتدا و انتها می باشد ، بدین ترتیب که آب از سطح دریاها و خشکیها تبخیر شده وارد اتمسفر می گردد و سپس دوباره بخار آب وارد شده به جو طی فرآیندهای گوناگون به صورت تبخیر شده وارد اتمسفر می گردد و سپس دوباره بخار آب وارد شده به جو طی فرآیندهای گوناگون به صورت نزولات جوی یا بر سطح زمین و یا بر سطح دریاها و اقیانوسها فرو می ریزد . پس نزولات جوی ممکن است با سه حالت روبرو شود :

1- قبل از رسیدن به سطح زمین توسط شاخ و برگ گیاهان گرفته می شوند . (برگاب ، باران گیرش)

2- در سطح زمین جاری می شوند . (رواناب)

3- در خاک نفوذ می کنند .

مقداری از آب که در داخل خاک نفوذ می کند یا بر اثر تبخیر به هوا بر می گردد یا وارد منابع آب زیرزمینی می شود که سرانجام از طریق چشمه ها و یا تراوش به داخل رودخانه ها مجدداً در سطح زمین ظاهر می گردد. در تمام این موارد آب با تبخیر و بازگشت مجدد به اتمسفر سیکل هیدرولوژی یا گردش آب در طبعیت را تکمیل می کند . در شکل 1 نموداری از چرخه هیدرولوژی می باشد نقل و انتقالات آب در طبیعت را نشان می دهد. همانطور که شکل 1 نشان می دهد عناصر مهم گردش آب در طبیعت را بارندگی (p) – رواناب (R ) – تبخیر (E ) تعرق (T) – نفوذ (I) و جریانهای زیرزمینی (G) تشکیل می دهند.

بارندگی :PRECIPITATION

بارندگی مقدار آبی است که از سطح خشکی ها و دریاها تبخیر می شوند و در داخل جو بطور موقت بصورت بخار ذرات ذخیره می گردد . این بخار آب موجود در جو طی فرآیندهای فیزیکی مختلف متراکم (CONDESATION ) می شود و به شکل ابر در می آید که پس از اشباع شدن ، قطرات آب با ذرات یخ تشکیل شده بصورت برف ، باران ، تگرگ و غیره که جمعاً نزولات جوی یا بارندگی گفته می شوند دوباره به زمین برمی گردند . بارندگی پدیده ای است که انسان کمتر در آن می تواند دخل و تصرف کند .

تبخیر : EVAPORATION

تبخیر پدیده ای است که از هرگونه سطح مربوط مانند سطوح آزاد آب یا سطح مرطوب خاک و گیاه صورت می گیرد . طی این فرآیند آب مایع به بخار تبدیل می شود و مجدداً آب به جو زمین بر میگردد. از عوامل مؤثر بر این فرآیند می توان به دمای هوا ، سرعت باد ، تابش خورشید اشاره کرد که هرچه میزان آن بیشتر باشد سرعت تبخیر نیز بیشتر است .

اهمیت آب در ایران :

ایران با توجه به موقعیت خاص جغرافیایی که در بین مدار 25 تا 40 درجه عرض شمالی و 44 تا 64 درجه طول شرقی واقع شده است از مناطق خشک جهانی به شمار می رود زیرا میزان متوسط بارندگی سالانه آن کمتر از یک سوم متوسط بارندگی کره زمین (860) می باشد . این مقدار بارندگی هم در طح کشور به طور یکنواخت توزیع نشده است به علت کمبود میزان بارندگی به جز نواحی شمالی و شمال غرب و تا حدودی غرب کشور رود خانه های دائمی کم تر وجود دارد . در سطح کشور مناطقی وجود دارد که نه تنها با کمبود آب سطحی مواجه هستند بلکه آب زیرزمینی آنها هم شور است . البته این کمبود آب در کشور ما مربوط به عصر حاضر نبوده بلکه در گذشته نیز مردم با کمبود آب مواجه بوده اند وجود سدها و بندهای تاریخی کشور دلیلی بر این ادعاست . اما از آنجایی که در گذشته سطح توقع مردم به علت پایین بودن شرایط زندگی کم بوده است ، قرنها بطور هماهنگ از منابع آب و خاک استفاده کرده اند و آب مورد نیاز را از طروق مختلف به دست آورده اند و مسئله کمبود آن مطرح نبوده و مسئله اصلی روش های بهره برداری از آن بوده است . اما در عصر حاضر از یک طرف کمبود آب قابل استفاده و از طرف دیگر افزایش رشد جمعیت و مصرف آب و از همه مهمتر بالا رفتن سطح زندگی و ماشینی و صنعتی شدن و رشد تکنولوژی مسئله نیاز به آب و کمبود آن را بیش از پیش مطرح می سازد .

مسائل شناخت آبهای سطحی :

برای جلوگیری از هدررفتن آبهای سطحی و خسارات ناشی از آنها دو کار زیر بنایی عبارت است از:

1- تأمین نیروی انسانی

2- تأسیس ایستگاههای اندازه گیری آب و آمار برداری مرتب از آنها

امروزه هیچ طرح عمرانی و زیربنایی بدون استفاده از آمار در زمینه های مختلف امکان پذیر نمی باشد ، لذا آمار مورد استفاده باید دقیق و دارای قابلیت اعتماد باشد و همچنین تعداد سالهای آماری نیز زیاد باشد .

ایستگاههای اندازه گیری دبی رودخانه ها در ایران از سال 1325 تأسیس شده اند اما تعداد آنهاکم بوده و طول دوره آماری آنها با توجه به سال تأسیس کوتاه می باشد اما در کشورهای پیشرفته طول دوره آماری به بیش از 150 سال می رسد . در کشور ما تعداد ایستگاههایی که دارای آمار بیش از 50 سال می باشند بسیار کم است و تنها شامل ایستگاههایی است که بر روی رودخانه های جاجرود ، لاروگلپایگانو یکی دو رودخانه دیگر است ، می باشد . امروزه در سطح کشور ایستگاههای اندازه گیری دبی آب زیاد بوده و در حال گسترش می باشد .

نه تنها تعداد ایستگاهها و طول دوره آماری مهم است بکله تعین دقیق ایستگاههای هیدرومتری اهمیت زیادی دارد که حتماً باید توسط متخصصان این امر تعین شود .

بر اساس گزارش سازمان ملل در آینده ای نزدیک 31 کشور جهان با کمبود آب مواجه خواهد شد و نام ایران به عنوان یکی از بزرگترین کشورهای درگیر بحران آب در آینده برده می شود.

انتظار می رود تا سال 2025 بیش از دو سوم جمعیت جهان در شرایط کمبود جدی آب قرار بگیرند و یک سوم بقیه در شرایط کمیابی آب زندگی کنند . 50 سال دیگر عربستان کاملاً از آب تهی خواهد شد .

طلیعه بحران هم اینک در چین ، آفریقا ، هند ، تایلند ، مکزیک ،مصر و ایران نمایان شده است . رودخانه های اصلی دنیا شامل نیل در مصر ، گنگ در جنوب آسیا ، رودخانه زرد چین و کلرادوی آمریکا به شدت تهدید می شوند .

در ایران منبع اصلی آب بارش است که به طور طبیعی سالانه 252 میلی متر یا 413 میلیارد متر مکعب است . این میزان یک سوم متوسط جهان (831 میلی لیتر ) و یک سوم آسیا ( 732 میلی لیتر ) است . حدود 30 درصد بارش به شکل برف و بقیه به شکل باران است . به این ترتیب در حالی که یک درصد جمعیت جهان در ایران زندگی می کنند ، سهم ایران از منابع آب تجدید پذیر فقط 36 صدم درصد است . از 413 متر مکعب بارش سالانه 269 متر مکعل به اشکال مختلف از دست می رود . 93/2 درصد از آب باقی مانده صرف مصارف کشاورزی البته به شکلی غیر اصولی می شود . 1/7 درصد به صنعت و معدن اختصاص می یابد و بقیه به مصارف دیگر می رسد .

ذکر این درصدها برای این اهمیت دارد که بروز بحران آب آنها را دستخوش تغییر می کند و سازمان های بین المللی هشدار می دهند که با افزایش جمعیت در ایران این کشور در سال 2025 درگیر بحران جدی آب خواهد  بود.

گفته های دکتر پرویز کردوانی استاد جغرافیای دانشگاه تهران حاکی از بروز نشانه های بحران است . وی می گوید : در سال 1337 جمعیت ایران 16 میلیون نفر بوده و الان بالای 70 میلیون نفر است ، در حالی که میزان آب ثابت مانده به همان نسبت که آب بیشتری مصرف می شود آب بیشتری هم آلوده می شود . به این ترتیب تهران یک رود هم ندارد ولی سه رود از فاضلاب دارد که آدم در آن غرق می شود . کشور ما در منطقه خاورمیانه قرار داد و از نظر بارندگی فقیر است . درست است که بارندگی در شمال زیاد است ولی این باران زمانی می بارد که زیاد به آن احتیاج نیست و سه ماه تابستان که موقع برنج کاری است این مناطق آب ندارند ، در نتیجه در پرباران ترین نقطه هم از آب زیرزمینی استفاده می کنیم . در حالی که که استفاده از آب زیر زمینی برای موقع مباداست، استفاده زیاد از آب زیرزمینی باعث شده که سطح آن در همه جا پایین بیاید . به طوری که در 200 دشت کهبیشتر آنها در خراسان است کسی حق حفر چاه ندارد مگر برای به دست آوردن مقداری آب شرب و مصارف صنعتی .

پیامد بحرانی که در ایران در نتیجه کم آبی و تقاضای رو به افزایش رخ میدهد این است که بخش های مختلف کشاورزی ، صنعت و نیروی انسانی برای استفاده از این آب وارد رقابت می شوند.

مهندس محسن شجاعی کارشناس آب می گوید : افزایش جمعیت ، گسترش بدون برنامه و انگل وار شهرهای بزرگ باعث می شود مجبور شویم آب را از بخش کشاورزی به سمت مصارف انسانی منتقل کنیم. در حالی که افزایش جمعیت و بهتر شدن برنامه غذایی ، ایران را بشدت به واردات محصولات کشاورزی محتاج می کند.

از تبعات دیگر بحران آب این است  که همان منابع قابل استفاده و رودخانه ها نیز آلوده و ناسالم می شوند و حتی صنعت ماهیگیری هم با مشکل مواجه می شود . به عنوان مثال دور از انتظار نیست که آب رودخانه های شمال کشور آلوده شود ، بخصوص که سیستم فاضلاب شهرهای شمال هم توسعه نیافته است . این موضوع توجه بانک جهانی را به ایران جلب کرده است .

در هر صورت به موازات آن که دائماً به جمعیت جهان افزوده می شود واین جمعیت به غذای بیشتری نیاز پیدا می کنند ، منابع آب هم کاهش می یابد . بخشی از بحرانی که هم اینک مبتلا به آسیا و آمریکای لاتین است به صنعتی شدن جوامع آنها و برهم خوردن توازن بشر و طبیعت بر می گردد . چنانکه در مکزیوسیتی پایتخت مکزیک بچه های کوچک گاهی به جای آب ، کوکاکولا و پپسی می نوشند . در طول بحران های آبی این کشور ، دولت آب کشاورزان را قطع می کند تا آب  را به صنایع عمدتاً خارجی برساند . پیامد چنین وضعیتی به خطرافتادن امنیت غذایی جهان است . کمبود آب کشاورزی در کشوری مثل چین کافی است تا این امنیت به خطر بیفتد . در حالی که چین در رأس فهرست کشورهایی است که با بحران آب روبرو می شوند . طبیعتاً چین به خاطر توسعه عظیم اقتصادیش کمبود مواد غذایی را با واردات آن جبران می کند ، اما موضوع این است که در نتیجه این کار قیمت مواد غذایی در بازارهای جهانی بشدت بالا می رود و این برای کشورهای فقیر فاجعه است . البته ایران هم در همان سال ها درگیر بحران آب خواهد بود و طبیعی است که با کاهش تولیدات کشاورزی ناچار است مواد غذاییش را با قیمت کلان از بازار جهانی تأمین کند و در نتیجه به دیگر کشورها وابسته خواهد شد .

کمبود آب ، افزایش جمعیت ، بالارفتن سطح زندگی و بهداشت و افزایش باز هم بیشتر بصرف آب و کمبود مواد غذایی در دهه های آنیده بحرانی را پیش روی ایران قرار می دهد که چشم اندازش از همین حالا تیره و نا امید کننده است و البته مهار چنین بحرانی بستگی به آن دارد که دولت چقدر سرعت عمل داشته باشد .

کمبود مایه حیات در مشهد ادامه دارد ؛ آب بسته بندی ؛ چرا حالا به فکر افتادیم ؟

« از ابتدای مهرماه آب شرب معدنی در پاکتهای یک لیتری مخصوص با قیمت 400 تا 450 ریال در مشهد به فروش می رسد .

این طرح با توجه به مشکلات کمبود آب  در این شهر و باهدف جداسازی آب مصرفی از آب شرب اجرا می شود .»

این موضوع خبری بود که چندی پیش در جراید مطرح شد اما در ذهن بسیاری از شهروندان این پرسش تداعی شد که آیا آب مشهد آلوده است ؟

به دنبال این پرسشها ، شرکت آب و فاضلاب بلافاصله با درج اطلاعیه ای این شبه را رد کرد . با در شائبه آلوده بودن آب مشهد توسط مسؤولان ، پرسشهای دیگری از سوی شهروندان در تماس با روزنامه مسطح شد از جمله آیا این طرح با هدف جبران کمبود آب شرب مشهد اجرا می شود ؟ و آیا این طرح جوابگوی آب مصرفی مردم این شهر خواهد بود ؟

به گفته یک فرهنگی ، به طور حتم این طرح با هدف پوشش کم آبی مشهد نیست زیرا اجرای طرح نوبت بندی و قطع 12 ساعته آب در مشهد هم اکنون در حال اجراست و مردم با آن کنار آمده اند .

احمدی می گوید : اگر هدف نهادینه کردن فرهنگ جداسازی آب شرب از غیر شرب است ، با توجه به قرار داشتن مشهد در منطقه خشک و کم آب ، این پرسش مطرح می شود که چرا تاکنون مسؤولان شرکت آب و فاضلاب طرح جداسازی آب مصرفی از آب شرب را به طور زیربنایی و در قالب طرحهای اجرایی دنبال نکرده اند و آبا اکنون با ارایه آب بسته بندی در پاکتهای یک لیتری ، هدف این طرح تأمین خواهد شد ؟

شیرودی نیز می گوید : باید از مسئولات شرکت آب و فاضلاب پرسید که چرا این طرح در سال جاری که با کم آبی شدید مواجه هستیم ،اجرا می شود . آیا هدف افزایش فروش و کسب سود برای شرکت تولید کننده این آب بسته بندی نیست ؟

وی اضافه می کند : قیمت در نظر گرفته شده خارج از توان پرداخت قشر کثیری از جامعه است و شرکت آب و فاضلاب نباید تصور کند که با توجه به اینکه استفاده از آب بسته بندی در قالب بطری چند سالی رایج شده است ، پس همه شهروندان مشهدی قادر به خرید هستند.

عرضه آب بسته بندی پاکتی دائمی است

معاون برنامه ریزی شرکت آب و فاضلاب مشهد می گوید : در همه کشورها توزیع آب به روشهای مختلفی از جمله لوله کشی و یا در قالب بطری و یا حمل با تانکر صورت می گیرد که در این میان در ایران توزیع آب عمدتاً به شکل لوله کشی است .

جعفر حسین قلی زاده با بیان اینکه معمولاً 5 تا 6 درصد آب مصرفی شهروندان در طول روز برای شرب است می گوید : این در حالی است که آب موجود در لوله ها به طور کامل برای شرب است که برای مصارف دیگر از جمله شستن خودرو استفاده می شود.

وی با اشاره به اینکه وضعیت آب و هوایی مشهد ، تأمین آب را به لحاظ کمی و کیفی در این شهر با مشکل مواجه کرده است ، اضافه می کند : برای جلوگیری از آلودگی آب ، کارهایی از جمله اجرای شبکه های فاضلاب دنبال می شود که با توجه به میزان اعتبارات اختصاص یافته ، تاکنون بیشتر از یک سوم شهر به این سیستم مجهز نشده است .

وی با اشاره به کمبود 34 درصدی آب در مشهد طی سال جاری یادآور می شود : اجرای طرح نوبت بندی آب و به دنبال آن خاموش و روشن کردن مکرر چاهها ، سبب شده رسوبهای موجود در لوله ها کیفیت آب را با مشکل مواجه کند که شرکت آب و فاضلاب با هدف رفع این مشکل و ارایه آب با کیفیت بالاتر ، اقلام بر عرضه آب بسته بندی کرده است . وی با تأکید بر اینکه این مسأله به مفهوم آلوده بودن آب شرب مشهد نیست ،تصریح می کند : هدف ، تنها عرضه آب با کیفیت بالاتر است و با توجه به اینکه آب بسته بندی در قالب بطری چند سالی در کشور رواج یافته است ، اما همه اقشار قادر به خرید آن نیستند تصمیم گرفته شد آب معدنی در بسته های پاکتی و با قیمت ارزانتری عرضه شود که قابل بازیافت در چرخه طبیعت نیز می باشد .

وی اضافه می کند : در فاز اول این طرح که از 20 روز پیش آغاز شده است ، روزانه 30 تا 40 هزار بسته رایگان بین زایران توزیع شده و تا کنون به مرز 35 هزار بسته رسیده است و این کار تا پایان شهریور ماه ادامه خواهد داشت .

وی ادامه می دهد : از ابتدای مهر ماه روزانه 40 تا 50 هزار بسته آب در محل اتفاقات آب شرکت آب و فاضلاب مناطق مشهد ، سوپر مارکتها و هر جایی که آب بسته بندی در قالب بطری عرضه می شود ، توزیع خواهد شد .

حسین قلی زاده اضافه می کند : آب پاکتی از یکی از چاههای منطقه چناران که ظرفیت تولید آن 30 لیتر در ثانیه بود و دارای کیفیت بالایی است ، تأمین می شود .

به گفته وی ، 10 درصد آب این چاه برای بسته بندی در نظر گرفته شده که شرکت آب و فاضلاب و اداره بهداشت به لحاظ کمی و کیفی بر آن نظارت دارند .

وی می گوید : این آب توسط شرکت تعاونی آبفام توس عرضه می شود که سابقه تشکیل آن به 15 سال قبل بر می گردد و هدف از ایجاد آن فرهنگ سازی استفاده از آب بسته بندی با هدف جداسازی آب شرب از غیر شرب است .

وی می گوید : اما در آن سالها کمبود آب برای شهروندان چندان ملموس نبود ، از این رو آب در قالب بطری در مشهد ودیگر شهرهای کشور ارایه می شد ، اما امسال با توجه به حاد شدن مشکل کمی آب ، هدف اولیه شرکت دنبال می شود.

معاون برنامه ریزی شرکت آب و فاضلاب در خصوص نقش شرکت آب و فاضلاب مشهد در این باره می افزاید : این شرکت بر عرضه کمی و کیفی و توزیع آن نظرات دارد و در واقع توزیع این بسته ها توسط شرکت آب و فاضلاب انجام می شود .

وی در پاسخ به این پرسش که گفته می شود این کارخانه در نزدیک محل نگهداری جذامی ها قرار دارد به گونه ای که قبلاً چاه آب منطقه با هدف جلوگیری از انتشار آلودگی بسته شده و اکنون برای عرضه آب بسته بندی پاکتی از آن استفاده می شود می گوید : چنین چیزی صحت ندارد و به طور کلی هر چاه آبی که وجود داشته باشد ، فرقی نمی کند در چه منطقه ای واقع شده است ، شرکت آب و فاضلاب و اداره بهداشت به لحاظ کمی و کیفی بر آن نظارت مستقیم دارند و کیفیت آب در آزمایشگاه مورد بررسی قرار می گیرد .

وی ادامه می دهد : در حال حاضر 10 درصد آب چاه مزبور تأمین کننده آب بسته بندی در نظر گرفته شده است و بقیه آن تأمین کننده بخشی از نیاز آبی شهروندان است .

 این مقام مسوول در شرکت آب و فاضلاب در خصوص گران بودن قیمت تمام شده آب بسته بندی پاکتی که خارج از توان خرید شهروندان است ، می گوید : قسمت اعظم قیمت مربوط به هزینه مواد اولیه ، نوع پلاستیک و هزینه چاپ است و تنها 2 درصد قیمت را  آب بها تشکیل می دهد .

وی اضافه می کند : از طرف دیگر در صورت افزایش قیمت مواد اولیه مورد نیاز قیمت آب بسته بندی نیز افزایش می یابد.

حسین قلی زاده درباره اینکه این طرح برای چه مدت اجرا می شود می گوید : این مسأله استمرار دایمی خواهد داشت ، تا زمانی که فرهنگ جداسازی مصرف آب شرب از غیر شرب اجرا شود.

وی در توضیح گفته خود می گوید : هزینه نگهداری و سالم سازی آب شرب برای شرکت آب و فاضلاب در مقابل دریافت آب بهایی که از شهروندان دریافت می کند بسیار سنگین است که اگر نتوان هزینه واقعی بهره برداری را از مشترکان اخذ کرد ،‌باید در قالب ارایه آب بسته بندی حساسیت و هزینه سنگین که برای سالم سازی ، تصفیه و نگهداری آب شرب صورت می گیرد کاست تا به مرور آب موجود در لوله های آب برای مصارف غیر شرب استفاده شود .

 وی در  خصوص نیاز واقعی شروندان در طی روز برای آب شرب ، با توجه به اینکه این آب بسته بندی برای شرب و پخت و پز در نظر گرفته شده است ، می افزاید : اگر مصرف شبانه روز یک فرد 200 لیتر فرض شود ، با توجه به اینکه تنها 5 تا 6 درصد آن برای شرب مصرف می شود ، می توان گفت 12 لیتر آب برای شرب و پخت و پز مورد نیاز است .

 

اهداف استفاده از روشهای تاریخی (حلقه های درخت ) در پیش بینی خشکسالی :

اولین هدف استفاده از این روش ایجاد و بازسازی شبکه ای از شاخص خشکسالی پالمر در محدوده ایالات متحده از طریق دادههای مبتنی بر حلقه های درختان می باشد ، این کار سبب تأمین داده های مفیدی می شود و از طریق آن درک بهتری از متغییرهای خشکسالی ارائه می شود و سرانجام منجر به بهبود پیش بینی درازمدت خشکسالی میگردد، بمنظور دستیابی به این اهداف داده های شاخص خشکسالی پالمر را با استفاده از داده های ناشی از ابزار هواشناسی از NOAA و حساسیت آب و هوائی و ترتیب زمانی حلقه های درخت به دقت با استفاده از یک گونه همزمان تعیین شده و از تکنیک و مدل اماری مناسبی برای انواع سریهای زمانی استفاده شده است .

بازسایزی شبکه ای شاخص پالمر باعث توسعه اطلاعات در زمینه خشکسالی های گذشته از سال 1700 یا زودتر شده است و سبب سه برابر شدن گزارشات ابزاری آب و هوا در بیشتر نواحی ایلات متحده شده است .

داده ها و روش کار بررسی خشکسالی تاریخی با استفاده از شاخص پالمر :

در این تجزیه و تحلیل یک شبکه 3×2 شامل 155 نقطه از شاخص شدت خشکسالی پالمر بر روی 1000 ایستگاه گسترش داده شده است .

شبکه شاخص خشکسالی پالمر حداقل تا سال 1913 در تمام ایستگاهها دوره بازگشت به گذشته را عرضه کرد و هم میزان خشکسالی و هم ترسالی را که می توانست به ترتیب زمانی با حلقه های درخت مقایسه شود را ارائه داد . برای نیل به این هدف شبکه ای شامل 410 ترتیب زمانی حلقه های درختی که حداقل به 1700 سال پیش مربوط میشدند از منابع گوناگون گردآوری شده است . دوره های بازسازی شده از سال 1700 تا سال 1978 را در بر می گیرد که نتیجه آن ایجاد شبکه ای از شاخص شدت خشکسالی پالمر بازسازی شده با کیفیت بالا در تمام مرزهای ایالات متحده آمریکا می باشد از سویی دیگر زمانی که هر نقطه از شبکه ایجاد شده تقریباً 300 سال گزارش ثبت شده داشته باشد امکان بررسی تغییرات خشکسالی در مقیاس بلند مدت وجود خواهد داشت بعلاوه این امکان نیز فراهم میشود که بتوان الگوهای ترسالی و خشکسالی قرن بیستم را با الگوهایی که در زمانهای قبلی اتفاق افتاده مقایسه کرد .

نتایج حاصله از بررسی خشکسالی های تاریخی با استفاده از شبکه شاخص شدن خشکسالی پالمر :

نتایج بازگشت به گذشته نشان داد که شبکه شاخص شدت خشکسالی پالمر 9 الگوی ناحیه ای جداگانه دارد که با تجزیه و تحلیل شاخص شدت خشکسالی پالمر ابزاری به خوبی توافق دارد هریک از این نواحی مدلی از متغیرهای مخصوص به خود را دارند . در بیشتر نواحی نشانی از تأثیر الینو جریان جنوبی وجود داشته و در سایر نواحی نیز مدلهای 10 تا 20 ساله وجود داشته است.

علت تغییر خشکسالی در مدلهای بعدی واضح نیست اما از طریق گزارشات بلندمدت مثل یافته های مبتنی بر گزارشات ابزاری که کوتاه مدت اثبات می شوند تأمین می گردد.

نکات ضعف شاخصاهای خشکسالی

1- واحد زمان :

بیشتر شاخصهای خشکسالی که تاکنون مورد بررسی قرار دادیم دوره زمانی ماهیانه و یا طولانی تر را به کار بده اند و هیچ شاخصی از واحد زمانی روزانه استفاده نکرده است . اما از آن جائی که یک رژیم خشکسالی مؤثر تنها با استفاده از بارندگی مؤثر روزانه به شرایط نرمال پاسخ می دهد باید از واحد زمانی روزانه استفاده کرد . به علاوه استفاده از واحد زمانی روزانه شدت خشکسالی را مکرراً مورد ارزیابی قرار داده و در هر زمانی نشان میدهد که نهایتاً این امر به اذهان عمومی اجازه می دهد که برعلیه ریسک آماه باشند ( مدیریت ریسک به جای مدیریت بحران ).

همچنین باید در نظر داشت که مشکل استفاده از واحد زمانی ماهیانه این است که بطور مثال اگر دو ماه متوالی را که در نظر بگیریم و اگر روز اول ماه اول و روز آخر ماه دوم بارشهای خوبی داشته باشیم و در عوض در روزهای مابین هیچگونه بارشی نداشته باشیم ، از دیدگاه واحد زمانی ماهیانه ممکن است میزان بارندگی نرمال باشد اما این در حالی است که در واقع ما 58 روز بدون بارندگی داشته ایم و در واقع یک دوره کمبود 58 روزه بارش اتفاق افتاده است .

2- تعیین و تعریف دوره کمبود آب :

خشکسالی با کاهش منابع آب شیرین به وقوع می پیوندد که از نظر اقلیم شناسی اهمیت دارد و اهمیت آن این است که خشکسالی نه تنها کمبود آب در یک زمان مخصوص است بلکه رخدادهای متوالی از یک کمبود است . بنابراین زمانی که دوره کمبود آب شروع می شود و مدت زمانی که ادامه دارد خیلی مهم است . اما بیشتر شاخصهای خشکسالی که تاکنون بررسی کردیم و مدت زمانی که ادامه دارد خیلی مهم است . اما بیشتر شاخص های خشکسالی که تاکنون بررسی کردیم فقط کمبود آب را از دیدگاه اقلیمی در دوره های از پیش تعیین شده ارزیابی می کنند و قادر به نشان دادن دوره واقعی کمبود آب نیستند .

3- دوره ذخیره منابع آب :

بررسی خطر خشکسالی می تواند به دو منظور طبقه بندی شود یکی بررسی خطر کمبود رطوبت در خاک و دیگری کمبود منباع آب می باشد . بطوری که خشکی خاک تحت تأثیر دوره کوتاهی کمبود بارش که به تازگی اتفاق افتاده است قرار می گیرد اما کمبود آب ذخیره شده در منابع آب تحت تأثیر مجموع دوره های طولانی تر بارش قرار می گیرد و این که ما در مورد دیگر خطرات خشکسالی که به دو طبقه مذکور مرتبط نیستد بر این اساس کار کنیم کار آسانی نیست و درست نمی باشد بنابراین یک طبقه بندی جداگانه برای هر منظور روش بهتری برای ارزیابی خشکسالی است اما با این حال مشکل می توان شاخص خشکسالی را پیدا کرد که مثلاً هم اثرات کوتاه مدت و هم اثرات بلند مدت خشکسالی را بطور همزمان مد نظر قرار داده باشد . اما شاخص بارش موثر از این مزیت برخوردار است و هم دوره کوتاه 15 روزه و هم دوره 365 روزه را در بر می گیرد .

4- توجه به اتلاف منابع آب با گذشت زمان :

با توجه به اینکه معمولاً پس از بارندگی رطوبت موجود در خاک و منابع آب با گذشت زمان بصورت تابعی از نسبت رواناب و تبخیر و تعرق کاهش می یابد بنابراین بایستی این کاهش به هنگام بررسی ناهنجاری های بارش در نظر گرفته شود اما تقریباً همه شاخصهای خشکسالی از جمع بارندگی ساده استفاده می کنند ( نه بارندگی مؤثر ).

 

5- داده های مورد استفاده :

شاخصهای خشکسالی که تاکنون مورد بررسی قرار دادیم مثل شاخص پالمر علاوه بر بارش از داده های متعدد دیگری مثل رطوبت خاک – رواناب – تبخیر و غیره نیز برای محاسبات خود استفاده می کنند اما این پارامترهای مورد استفاده را بطور مستقیم مشاهده ( دیده بانی ) نمی کنند بلکه آنها را از طریق محاسبه یک سری فرمولها بدست می آورند بنابراین افزایش تعداد پارامترهای دلیلی بر دقت بالا نیست و این در حالی است که شاخص بارش مؤثر روزانه تنها از یک فاکتور استفاده کرده است .

6- گوناگونی و تنوع اطلاعات :

زمانی که خشکسالی اتفاق می افتد اطلاعات مربوط به آن برای اذهان عمومی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است بنابراین شاخصهای خشکسالی می بایست طوری گویا و واضح باشد که بتوانند برای برخی از سؤالات اساسی که در اذهان عمومی مطرح می شوند جوابگو باشیم و طوری نباشند که فقط به بررسی طول دوره خشکسالی قبلی و مقدار کمبود آب اتفاق افتاده بپردازیم (مدیریت بحران ) بکله باید تاریخ وقوع طول دوره خشکسالی و خاتمه آن و همچنین مقدار بارندگی مورد نیاز برای برگشتن به شرایط نرمال را مشخص کنند ( مدیریت ریسک ).

حال با توجه به بیان موارد ذکر شده در بالا به منظور حل مشکلات مذکور و هم چنین بررسی روزانه و دقیق خشکسالی شاخص بارش مؤثر ارائه گردید.

 

 

در این روش از سه شاخص برای تاریخ شروع وخاتمه خشکسالی و تعیین تداوم خشکسالی و کمبود آب استفاده شده که عبارتند از :

1- شاخص میانگین بارش مؤثر روزانه ،‌این شاخص خصوصیات اقلیم شناسی بارش را بعنوان منبع آب برای یک ناحیه یایک ایستگاه نشان می دهد .

2- شاخص انحراف از میانگین بارش مؤثر روزانه .

3- شاخص انحراف از میانگین بارش مؤثر روزانه استاندارد شده .

همچنین پنج شاخص می توان برای کمّی سازی شدت خشکسالی استفاده کرد که عبارتند از :

1- روزهای متوالی بارندگی مؤثر روزانه منفی که می تواند نشان دهنده طول مدت کمی بارش باشد.

2-  مجموع روزهای متوالی بارندگی مؤثر روزانه منفی که هم طول دوره خشکسالی و هم شدت آن را بطور همزمان نشان میدهد .

3- مجموع کمبود بارش که نشان دهنده انحراف مقدار بارش از نرمال در طول یک دوره معین باشد.

4- مقدار بارش لازم برای برگشت به دوره نرمال .

5- یک شاخص استاندارد خشکسالی مؤثر که بتواند به منظور ارزیابی شدت خشکسالی در مقیاس جهانی مورد استفاده قرار گیرد .

شاخصهای فوق در نواحی دشتهای مرتفع ایالات متحده آمریکا از سال 1960 تا 1996 مورد آزمایش قرار گرفته اند و نتایج آنها با گزارشهای تاریخی در مورد خشکسالی مقایسه شده اند بطوری که پس از تجزیه و تحلیل به این نتیجه رسیده اند که شاخصهای جدید واقع بینانه تر و معقولانه تر بوده و یک سری مزیتهای عملی نیز دارند بطوری که این شاخصها اولاً بطور دقیق تعیین کننده طول دوره خشکسالی بوده اند ، ثانیاً در نشان دادن یک خشکسالی در حال جریان مؤثر بودند و ثالثاً از راههای گوناگونی خصوصیات یک خشکسالی را تشریح و توصیف می کردند .

بطور خلاصه شاخص بارش مؤثر جدیدترین شاخص بررسی خشکسالی است که از آن هم در جهت تصویر و نشان دادن خشکسالی هیدرولوژیک از یک دوره 365 روزه استفاده می کند و دلیل این امر نیز آن است که متداولترین سیلک هیدرولوژیک در همه جای جهان 365 روز می باشد .

دوره 15 روزه که برای نشان دادن وقوع خشکسالی در خاک مورد استفاده قرار می گیرد با توجه به نوع منطقه فرق می کند زیرا همانطوری که قبلاً در بررسی خشکسالی از دیدگاه هیدرولژیک نیز مطرح کردیم طور این دوره در انگلستان مثلاً 15 روز و در بالی 6 روز و غیره می باشد .

بنابراین با استفاده از این روش می توان وضعیت خشکسالی را برای هر دوره دلخواه ( با توجه به تعریفی که از خشکسالی در ناحیه می شود ) بررسی نمود و وقوع خشکسالی را در منابع آب و خاک نشان داد .

بررسی خشکسالی های تاریخی با استفاده از شاخصل پالمر :

همانطوری که قبلاً در بررسی شاخص شدت خشکسالی پالمر اشاره کردیم یکی از خصوصیات شاخص پالمر که باعث محبوبیت و معروفیت آن شده است آن بود که این شاخص یک تصویر زمانی و مکانی را از خشکسالی های تاریخی فراهم میکرد. در اینجا برای روشن شدن این مطلب به بررسی نمونه ای از یافته های خشکسالی های دروان گذشته در ایالات متحده از طریق حلقه های درختان بر اساس شاخص پالمر می پردازیم .

خشکسالی ها و ترسالی ها معمولاً تأثیرات شدیدی بر روی منابع آب ، محصولات کشاورزی ، تجارت و بازرگانی و بطور کلی اقتصاد و بحرانهای سیاسی داشته و دارد . تاکنون یافته های ما درباره چگونگی رخداد چنین حوادثی برای گسترش مدلهای مفید برای بپیش بینی های بلند مدت کافی نیست و این مشکل از یافته های ناقص ما از چگونگی رخداد این حوادث در گذشته ناشی می شود که بطور وسیعی در صد سال اخیر از گزارشات ثبت شده آب و هوائی بدست می آید .

یکی از راههای بهبود این مشکل گسترش گزارشات ابزاری گذشته در زمان حال با استفاده از متغیر حلقه های پیرترین درختان می باشد به بیان دقیقتر یک شبکه حساس اقلیمی از نظر زمانی حلقه های درخت را بطور سالانه به منظور بازسازی شاخص شدت خشکسالی پالمر بکار برده است . بطوری که آنرا در شبکه های 3×2 در سراسر مرزهای ایالات متحده انجام داده است . این شکبه بازسازی از سال 1700 تا 1978 را در بر می گیرد و بطور مؤثری طول داده های ابزاری ( داده های ثبت شده توسط ابزار و ادوات هواشناسی ) را سه برابر کرده است . این بازسازی اکنون مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است بطور واضحی مدل های ناحیه ای ناشی از این تجزیه و تحلیل تنوع خشکسالی را در این بازسازی نشان می دهند و این مدلهای ناحیه ای شامل مدلهایی هستند که ظاهراً با الینو جریان جنوبی در ارتباط می باشند .

همچنین تغییرات طولانی تر بطور عمده مثلاً ده تا بیست ساله در این بازسازی یافت می شود اما این مدل تغییرات تاکنون علت و معلول مؤثری نسبت داده نشده اند .

 

 

منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنید
اين مطلب در تاريخ: دوشنبه 15 دی 1393 ساعت: 22:10 منتشر شده است
برچسب ها : تحقیق درباره هیدرولوژی چیست ؟,سیکل (چرخه) هیدرولوژی چیست,اهمیت آب در ایران,مسائل شناخت آبهای سطحی,