علوم الفيزياء 2

المدير العام 7/11/2011, 13:09

القوة
القوة كمية متجهة. تعرف بثلاثة عناصر هي المقدار والاتجاه ونقطة التأثير. وتمثل القوة بقطعة مستقيمة، تبدأ من نقطة تأثيرها وبالاتجاه الذي تعمل فيها القوة ويكون طول القطعة المستقيمة متناسباً مع مقدار القوة، وممثلاً له. ويشار إلى اتجاه القوة بوضع سهم عند رأس القطعة المستقيمة، ليدل على اتجاهها ويسمى امتداد القطعة المستقيمة، الممثلة للقوة بخط عمل القوة.ووحدة القوة هي نيوتن.
الكهرباء والمغنطيسية
الكهرباء والمغنطيسية تتصلان اتصالاً وثيقاً حتى إن العلماء كثيراً ما يشيرون إليهما معاً بمصطلح الكهرومغنطيسية. فحركة الشحنات الكهربائية يمكن ان تحدث تأثيرات مغنطيسية, والقوى المغنطيسية يمكن أن تحدث تأثيرات كهربائية. ومعرفة هذه العلاقة أدت إلى تطوير مولدات كهربائية ضخمة وتطوير الأجهزة الإلكترونية مثل المذياع والتلفاز والحاسوب.
المبادىء الالكترونيَّة الأساسيَّة
في الإلكترونيات، يبدأ كل شيء مع الالكترونات، وهي اجزاء كل ذرّة. فقد قام العلماء برسم الصورة الحديثة للذرّة بجهد كبير، مع ان احدا لم يرها، لأنها صغيرة لدرجة انه من الصعب حتى على المجاهر الإلكترونية الأكثر قدرة ان تكشف عنها. لكن هنالك أيضاً ما هو اصغر من الذرّة: الإلكترونات الصغيرة جدا والمشحونة سلبا والتي يمكن تصوّرها تدور من بعيد حول النواة المركزية التي فيها يتركّز معظم كتلة الذرّة.

حركة الإلكترونات:
الذرّات غير مشحونة عادة، لكن بامكانها اكتساب إلكترون اضافي، فتصبح بذلك مشحونة سلباً، أو فقدان إلكترون، فتصبح مشحونة ايجابا. هذه المقدرة عند بعض الذرّات على «تبادل» الإلكترونات بسهولة هي التي تمكّن سيلا منها (تيارا كهربائيا) بالجريان في موصّل. باستعمال بطارية أو مولّد، يمكن تجميع فائض من الإلكترونات في أحد طرفي هذا الجهاز واحداث نقص منها في الطرف الآخر، فتتولّد عن ذلك قوة كهرطيسية دافعة. إذا وُصل موصّل بهذين الطرفين، تسبّب هذه القوة انسياب الإلكترونات (أو بالاحرى «انجرافها» إذ أن معدل انسيابها نادرا ما يزيد عن 2 سم بالدقيقة) من الطرف السالب حيث الفائض إلى الطرف الموجب حيث النقص. هذا الاتجاه هو عكس الاصطلاح المتفق عليه والذي يفترض جريان التيار الكهربائي من الموجب إلى السالب.
تعمل الموصّلات في الدوائر الإلكترونية (بشكل اسلاك أو شرائط من النحاس الرفيع على مادة عازلة كالباكسولين) بمثابة مسارات للإلكترونات تنساب فيها بحرية من جزء من الدائرة إلى آخر. لكن لا بد من وجود عناصر معيّنة لضبط الانسياب، ولتمكين تيّارات محددة من الإلكترونات من المرور في مختلف اجزاء الدائرة كالصمامات والترانزستورات. هذه العناصر معروفة بالمقاومات، وهي متوفرة ضمن مدى واسع من المقادير يتراوح بين جزء واحد من الاوم (وحدة قياس المقاوم) حتى عشرات الملايين من الاومات.
المفاعل الحراري
الأجزاء الرئيسية التي يتكون منها المفاعل الحراري:
1 ـ هيكل المفاعل:
ويتكون من عدد كبير من أنابيب الألومنيوم المفتوحة الطرفين والموضوعة في صفوف أفقية.
2 ـ الوقود الانشطاري:
ويشمل اليورانيوم الطبيعي الذي ينقى من الشوائب ويشكل على هيئة أسطونات تغلف بالألومنيوم وتوضع في أنابيب الجزء الأوسط من هيكل المفاعل.
3 ـ المادة المهدئة:
يستخدم الجرافيت مادة مهدئة لأنه لا يمتص النيوترونات ووزنه الذري صغير.
4 ـ المادة المنظمة:
يستخدم البورون أو الكادميوم مواد منظمة لأنها تمتص النيوترونات بسرعة. ويعمل منها أربعة أعمدة يستخدم عمودان لتنظيم التفاعل المتسلسل، ويستخدم الأربعة معاً لإيقاف التفاعل المتسلسل فوراً إذا زاد عن المعدل المطلوب.
5 ـ السياج الواقي:
ويتكون من الخرسانة المسلحة بسمك 2,5 ـ 3,5 أمتار، وذلك لمنع تسرب الإشعاعات النووية.
6 ـ المواد المبردة:
يستخدم الماء العادي المضغوط أو غازات خاملة أو تيارات من الهواء وذلك لامتصاص الحرارة من المفاعل، حتى لا ترتفع درجة الحرارة وتنصهر أسطوانات اليورانيوم وأنابيب الألومنيوم ويمتلى المفاعل بالمواد المشعة.
شرح عمل المفاعل الحراري:
1 ـ تخفض أعمدة التنظيم ثم توضع أسطوانات اليورانيوم في أنابيب هيكل المفاعل وتغلق فتحات الأنابيب بسدادات سميكة متعددة الطبقات.
2 ـ توضع كتل الجرافيت (المادة المهدئة) بين أنابيب هيكل المفاعل.
3 ـ يرفع أحد أعمدة التنظيم قليلاً فيبدأ التفاعل المتسلسل بإحدى النيوترونات.
4 ـ يشطر النيوترون نواة يورانيوم 235 ويخرج ثلاثة نيوترونات يؤسر أحدها بواسطة نواة يورانيوم 238 التي تتحول في النهاية إلى نواة بلوتونيوم، ويهرب الآخران إلى الجرافيت. ويفعل التصادمات المرنة مع ذرات الكربون يصلان إلى السرعة الحرارية ويدخل كلٌّ منهما في أسطوانة يورانيوم ويشطر نواة 235 ويتكرر ما سبق.
5 ـ تضبط أطوال أعمدة التنظيم للحصول على التفاعل المتسلسل بالمعدل المطلوب.
6 ـ تمرر المواد المبرة لامتصاص الحرارة من المفاعل.
أجهزة التفاعلات النووية
هي أجهزة يتم فيها التفاعل المتسلسل في اليورانيوم الطبيعي أو البلوتونيوم كما يتم فيها تنظيم التفاعل المتسلسل والسيطرة عليه.
وتنقسم المفاعلات النووية إلى:
1 ـ المفاعلات الحرارية:
وفيها تعرض النيوترونات الناتجة من الانشطار إلى مادة مهدئة لتقليل سرعتها لتصل إلى السرعة الحرارية اللازمة لشطر يورانيوم 235.
2 ـ المفاعلات السريعة والمولدة:
لا يستخدم فيها مادة مهدئة والغرض منها إنتاج البلوتونيوم الذي يستخدم في صناعة القنابل الذرية.

المكونات	المادة المستخدمة	ملاحظات
الوقود النووي	نظيراليورانيوم (235)	بكمية تكفي لحدوث التفاعل المتسلسل.(الكتلة الحرجة)
مادة مهدئة	الكربون(الجرافيت)أو الماء الثقيل وغيرها	تعمل علىإبطاء سرعة النيوترونات الناتجة عن الانشطار
مادة منظمة	قضبان منالكادميومأ والبورون	الغرض منهاالتحكم في عدد النيوترونات التي تسبب استمرار الانشطار النووي وسرعته، ولذلك توضع بين قضبان الوقود النووي، حيث لها القدرة على امتصاص النيوترونات، وبذلك يسير التفاعل بمعدل مأمون، كما يمكن إيقاف التفاعل بواسطتها عند إدخال عدد كاف من القضبان
مادة مبردة	الماء عادة	فائدته نقل الحرارةالناتجة عن الانشطار النووي إلى مبادل حراري، ومنه إلى توربين لتوليد الطاقة الكهربائية

ملاحظة:
يحاط المفاعل النووي بسياج واق من الخرسانة المسلحة والرصاص، وفائدته الوقاية من الحرارة العالية، ومنع تسرب إشعاعات ألفا وبيتا وجاما الناتجة عن التحلل التلقائي للوقود النووي.
الميكانيكا
الميكانيكا: فرع من علم الفيزياء يبحث في تأثير القوى على الأجسام الصلبة والسائلة والغازية في حالة الحركة والسكون. فهي تدرس, على سبيل المثال, كيف تعمل القوة على جسم لتنتج تسارعاً. وسماها العرب الأقدمون علم الحيل. يعتمد المهندسون على علم علم الميكانيكا لتحديد الإجهادات والتشوهات في أجزاء الآلات كالتروس المُسنَّنة أو الأجزاء التركيبية كأعمدة التحميل. كما يستخْدم المهندسون أسس الميكانيكا في تصميم وتصنيع الأجزاء المختلفة الأحجام سواء كانت شديدة الدقة كأجزاء الحاسوب، أو شديدة الضخامة كالسدود. كذلك يستخدمها علماء الفلك في إجاء تنبؤاتهم بتحركات النجوم والكواكب والأجرام الكونية، كما يستخدمها علماء الطبيعة في بحوثهم عن الجسيمات الذرية.
تنقسم الميكانيكا إلى قسمين الإستاتيكا والديناميكا فالإستاتيكا تُعني بالبحث في طبيعة الأجسام في حالة السكون أو الحركة في سرعة ثابتة واتجاه ثابت. أما الديناميكا فتُعني بالبحث في طبيعة الأجسام المتغيرة السرعة أو الاتجاه أو كليهما، وعلاقتهما بالقوى المؤثرة الأخرى.
وتعني ميكانيكا الجوامد بالبحث في حركة المواد الصلبة والأجسام الجامدة القابلة للتشكل والقوى التي تُسبِّب هذه الحركة. أما الميكانيكا المتصلة فتتعامل مع المواد المتغيرة الشكل، مثل الغازات والسوائل والأجسام الصلبة المرنة. ويشمل علم الميكانيكا المتصلة نظرية المرونة، وهي دراسة التشكيلات الارتدادية للمواد الصلبة، ونظرية اللدونة؛ أي دراسة التشكيلات الدائمة للمواد الصلبة، وديناميكا الموائع أي دراسة حركة الموائع، وكذلك الديناميكا الهوائية؛ أي دراسة الغازات وحركتها حول الأجسام، وأخيراً الهيدروليكا وهي دراسة السوائل في حالة السكون أو الحركة.
الميكروفون
جهاز يعمل على تحويل الصوت إلى طاقة كهربائية. وتنتقل هذه الطاقة مباشرة عبر أسلاك أو خلال موجات راديو، إلى مُستقبل مرتبط مع مكبر للصوت، أو أداة أخرى تحوله إلى صوت. وقد اتخذ أول ميكروفون شكل هاتف البث الذي طوره المخترع الأمريكي ألكسندر جراهام بِل عام 1876 م. واليوم تستخدم الميكروفونات في أنظمة مخاطبة الجمهور، وفي بث العروض التلفازية والإذاعية، وفي تسجيل الصوت للأفلام، وفي طبع الأسطوانات، وفي تسجيلات الكاسيت. وتُستَخدم الميكروفونات أيضاً في الإذاعاتُ الشعبية وإذاعات الهُواة.
النشاط الإشعاعي الطبيعي والنشاط الإشعاعي الصناعي
النشاط الإشعاعي الطبيعي هو نشاط العناصر المشعة الموجودة في الطبيعة مثل اليورانيوم.
أما النشاط الإشعاعي الصناعي فهو نشاط العناصر المشعة المحضّرة من التفاعلات النووية.
وفي النشاط الإشعاعي الطبيعي يشع العنصر دقائق ألفا وبيتا مع خروج فوتونات جاما، ويتحول العنصر المشع إلى عنصر مشع آخر وهكذا حتى يستقر العنصر عندما يُصبح رصاصاً. أما في النشاط الإشعاعي الصناعي فإن العنصر يشع إما دقيقة بيتا السالبة ويستقر، وإما دقيقة بيتا الموجبة ويستقر بالإضافة إلى خروج فوتونات جاما.
النظائر المشعّة
يوجد في الطبيعة أكثر من 270 نظيراً ثابتاً، ونحو 50 نظيراً آخر مشعاً، بما فيها نظائر اليورانيوم والراديوم. وتسمى هذه النظائر التي تقذف جسيمات أو أشعة نظائر مشعة.
وكل العناصر التي هي أثقل من البزموت (عدده الذري 83) مشعة. وتنحل (تتفكك) هذه الذرات المشعة وتتحول إلى نظائر لعناصر أخر أخف وزناً. فهي تنتمي إلى ثلاث سلاسل انحلال مشعة تبدأ بـ 238U و 235U و 232Th. وتنحل هذه الذرات الثقيلة إلى نظائر مختلفة، وتستمر هكذا حتى تتحول إلى نظائر الرصاص المستقرة الثابتة. أما السرعة التي تنحل بها النظائر المشعة فتقاس بنصف العمر، أو بالوقت اللازم حتى تنحل ذرات عينة ما إلى النصف. ولكلِّ نظير نصف عمر معين. وبعض النظائر في السلاسل المشعة تنحل ببطء. فنظير الراديوم 226Ra مثلاً، له نصف عمر يصل إلى 1,600 سنة. وبعض العناظر الأخرى تنحل بسرعة فائقة، حتى أن أنصاف أعمار بعضها يساوي جزءاً صغيراً من ثانية. ويمكن للنظائر ذات أنصاف الأعمار القصيرة أن توجد في الطبيعة. فهي تتكون باستمرار عن طريق الانحلال الذي يحصل للنظير الأم الأثقل في السلاسل.
ويوجد قليل من النظائر المشعة المتناثرة التي لا تنتمي إلى السلاسل، بين العناصر الأخف من البزموت. من هذه العناصر عنصر البوتاسيوم ـ40، والروبيديوم ـ87، والمسريوم ـ146، واللوتيتيوم ـ176، والرينيوم ـ187.
النظائر المشعة صناعياً: تمكّن العلماء من إنتاج كثير من النظائر المشعة صناعياً. وهي ليست موجودة في الطبيعة، ولو وجدت لانحلت منذ زمن بعيد. يمكن إنتاج هذه النظائر صناعياً، إما في السيكلوترونات، وغيرها من الأجهزة المسرِّعة للجسيمات، أو في المفاعلات النووية. يمكن للعلماء ـ مثلاً ـ أن يقذفوا نظيراً من نظائر الصوديوم 23Na بديوترونات ذات طاقة عالية في السيكلوترون. والديوترون جسيم مكون من بروتون ونيوترون، وإذا اصطدم بذرة صوديوم 23Na، حدث تفاعل نووي، يغدو فيه النيوترون جزءاً من نواة الذرة، وينطرح بروتون منتجاً 24Na. كذلك تصنع النظائر المشعة بتعريض العناصر في مفاعل نووي إلى عدد ضخم من النيوترونات. فذرات الصوديوم 23Na، على سبيل المثال تقتنص نيوترونات من المفاعل وتتحول إلى 24Na. ويؤدي انشطار (أو انفلاق)اليورانيوم إلى نشوء أكثر من 450 نظيراً مشعاً، وأكثر من 100 نظير ثابت مستقر.
وقد تمكن العلماء من إنتاج نحو 1,700 نظير مشع، شملت كافة العناصر. واليوم يوجد للعديد من العناصر 15 نظيراً صناعياً أو أكثر.
كذلك أمكن إنتاج كل العناصر التي لا توجد في الأرض. ومن هذه العناصر التكنيتيوم والبروميثيوم اللذان يوجدان في بعض النجوم ـ والعناصر 93 إلى 109، وهي ما تعرف بعناصر ما فوق اليورانيوم.
ولهذه العناصر المشعة أنصاف أعمار قصيرة، ولهذا اختفت من الأرض بالانحلال إلى عناصر أخرى. وقد شذ البلوتونيوم عن ذلك، فقد وجد العلماء كميات قليلة جداً من نظير البلوتونيوم 244Pu في الأرض.
النظام المتري
النظام المتري: مجموعة من الوحدات تستخدم للقيام بأي من عمليات القياس؛ كقياس الطول أو الحرارة أو الزمن أو الوزن. وهو نظام لا يضاهيه من حيث البساطة أي نظام قياس استخدم حتى الآن.
تم استحداث هذا النظام على أيدي مجموعة من العلماء الفرنسيين في العقد الأخير من القرن الثامن عشر الميلادي، وتمت مراجعته عدة مرات. وهو يُسمى في هيئته الحالية رسمياً باسم النظام العالمي للوحدات. أما التسمية متري فأصلها هو وحدة قياس الطول الأساسية، المتر.

استخدام النظام المتري:
ترجع سهولة استخدام النظام المتري إلى سببين؛ فهو أولاً يتبع النظام العشري ـ أي أن الوحدات المترية تتزايد وتتناقص في المقدار بالعشرات. كذلك فإن جميع القياسات في النظام المتري مبنية على سبع وحدات أساسية، بينما يحتاج النظام البريطاني لأكثر من عشرين وحدة، وذلك لمجرد إجراء القياسات المألوفة. وتتطلب القياسات للأغراض المتخصصة زيادة العديد من هذه الوحدات الأساسية.
التنظيم العشري: ولمعظم الوحدات المترية بادئات تبين علاقتها بالوحدة الأساسية، ولكل بادئة نفس المعنى بغض النظر عن الوحدة الأساسية. وهذا الاتساق يزيد من سهولة القياس على الطريقة المترية.
وتُستَخدم البادئات الإغريقية لتبيان مضاعفات أي وحدة أساسية فتجعل الوحدة أكبر. على سبيل المثال هكتو تعني مائة مرة وكيلو تعني ألف مرة. أما البادئات اللاتينية فستستخدم للدلالة على قواسم الوحدة الأساسية فتجعلها أصغر. مثلاً: سنتي تعني 1/100 وملي تعني 1/1000 ويتضمن هذا المقال كل البادئات وعلاقاتها بالوحدة الأساسية.
وحدات القياس المترية: تتكون قاعدة النظام المتري من سبع وحدات، ونقتصر على أربع منها فقط في معظم عمليات القياس التي نؤديها في حياتنا اليومية. 1 ـ المتر وهو الوحدة الأساسية للطول أو المسافة. 2 ـ الكيلوجرام وهو الوحدة الأساسية لكتلة الجسم أو وزنه على سطح الأرض. 3 ـ الثانية وهي وحدة الزمن الأساسية. 4 ـ الكلفين وهي الوحدة الأساسية لدرجة الحرارة. يقوم معظم الناس عند قياس درجة الحرارة مترياً باستخدام الدرجات المئوية. وتساوي وحدة كلفين درجة مئوية واحدة، غير أن نقطتي الابتداء في هذين النظامين لقياس درجة الحرارة مختلفتان.
أما الثلاث وحدات الأساسية الباقية فإنها ذات استخدامات متخصصة لدى العلماء والمهندسين وهي: 5 ـ الأمبير، الوحدة الأساسية للقياس في الكهرباء. 6 ـ المول وحدة القياس الأساسية لمقدار أي مادة تدخل في تفاعل كيميائي أو غيره. 7 ـ الشمعة القياسية وهي الوحدة الأساسية لقياس شدة الإضاءة. كذلك يضم النظام المتري وحدتين إضافيتين لقياس الزوايا هما الزاوية نصف القطرية (الراديان) والإستراديان (الراديان الفراغي). انظر: الزاوية نصف القطرية.

البادئات المترية:
هذه البادئات يمكن إضافتها إلى معظم الوحدات المترية لزيادة أو نقص مقدارها، فكيلومتر مثلاً يساوي ألف متر، والبادئات سنتي، كيلو وملي هي الأكثر شيوعاً.
البادئة الزيادة أو النقصان في الوحدة إكسا 1,000,000,000,000,000,000 (كوينتيليون واحد)
بيتا 1,000,000,000,000,000 (كوادريليون واحد)
تيرا 1,000,000,000,000 (تريليون واحد)
جيجا 1,000,000,000 (بليون واحد)
ميجا 1,000,000 (مليون واحد)
كيلو 1,000 (ألف واحد)
هكتو 100 (مائة واحد)
ديكا 10 (عشرة)
ديسي 0,1 (جزء من عشرة)
سنتي 0,01 (جزء من المائة)
ملي 0,001 (جزء من الألف)
مايكرو 0,000,001 (جزء من الألف)
نانو 0,000,000,001 (جزء من البليون)
بيكو 0,000,000,000,001 (جزء من التريليون)
فمتو 0,000,000,000,000,001 (جزء من الكرادريليون)
أتو 0,000,000,000,000,000,001 (جزء من الكونيتليون)
بعض التواريخ المهمة في تطور النظام المتري:
1670 م الفرنسي جابريل يقترح نظاماً عشرياً للقياس مبنياً على جزء من محيط الأرض.
1671 م الفلكي الفرنسي جين بيكارد يقترح استخدام طول البندول الذي يتأرجح مرة واحدة في الثانية كمعيار لوحدة الطول.
1790 م المجلس الوطني الفرنسي يطلب من الأكاديمية الفرنسية للعلوم إنشاء نظام للموازين والمقاييس. سمِّي النظام الذي استحدثته الأكاديمية باسم النظام المتري.
1795 م تبنت فرنسا النظام المتري ولكن سمحت للناس بمواصلة استخدام وحدات أخرى.
1837 م أجازت فرنسا قانوناً يفرض على كل فرنسي البدء في استخدام النظام المتري في 1 / 1 / 1840 م.
1866 م أجاز الكونجرس في أمريكا استخدام النظام المتري ولكن لم يفرض استخدامه.
1870 ـ 1875 م عُقد مؤتمر عالمي لتحديث النظام المتري ولتبني معايير قياس جديدة للكيلوجرام والمتر، وقد شاركت 17 دولة في المؤتمر.
1875 م تم توقيع معاهدة المتر في نهاية مؤتمر 1870 ـ 1875م وأنشأت المعاهدة منظمة دائمة، وهي وكالة الموازين والمقاييس، لتعديل النظام المتري حسب الحاجة.
1889 م استحدثت معايير جديدة للمتر والكيلوجرام مبنية على تلك التي تبناها مؤتمتر 1870 ـ 1875م وأرسلت للدول التي وقعت اتفاقية المتر.
1960 م في مؤتمر عام للموازين قامت الدول التي تستخدم النظام المتري بتبني صيغة معدلة من النظام.
1965 م بدأت بريطانيا في التحول للنظام المتري.
1970 م بدأت أستراليا عملية تحول للنظام المتري مبرمجة على عشر سنوات.
1971 م أوصت إحدى الدراسات التي قام بها الكونجرس أن تقوم الولايات المتحدة بالتخطيط للتحول للنظام المتري.
1975 م بدأت كندا في التحول التدريجي نحو النظام المتري.
1975 م أجاز الكونجرس الأمريكي قانون التغيير للنظام المتري والذي نادى بالتحول الاختياري لهذا النظام.
1983 م تم في مؤتمر عام للموازين والمقاييس تبني معيار قياسي جديد للمتر.
1988 م أجاز الكونجرس الأمريكي القانون المعروف باسم القانون الجامع للتجارة والتنافس وقد احتوى القانون على فقرة تطلب من كل وكالات الحكومة الفيدرالية استخدام النظام المتري في كل المعاملات الرسمية ابتداءً من عام 1992 م.
النظرية الميزونية
تفسير هذه النظرية القوى الكامنة في النواة التي تعمل على ربط النويات والتي تساوي طاقة الترابط النووي.
فروض النظرية الميزونية:
1 ـ ميزونات باي وتشمل ميزون باي الموجب II+ وميزون باي السالب II- والمتعادل - وتعرف هذه الميزونات بالميزونات الثقيلة وهي المسؤولة عن ربط النويات.
2 ـ يتم الجذب بين البروتون والنيوترون بواسطة التأثير المتبادل لميزون باي الموجب فيتحول البروتون إلى نيوترون والنيوترون إلى بروتون.
3 ـ يتم الجذب بين النيوترون والبروتون بواسطة التأثير المتبادل لميزون باي السالب فيتحول النيوترون إلى بروتون والبروتون إلى نيوترون.
4 ـ يتم الجذب بين بروتونين وكذلك بين نيوترونين بواسطة التأثير المتبادل لميزونات باي المتعادلة.
5 ـ تبادل الميزونات يتم بسرعة عظيمة جداً وينشأ عن ذلك قوة الربط بين النويات ويكون - مجموعة طاقة حركة الميزونات = طاقة الترابط النووي.
انقلاب الجمهرة
Population Inversion
المادة في الحالة الطبيعية تكون ذراتها مستقرة وموزعة في مستويات الطاقة وفقاً لما يمثله الشكل (1) الذي يبين أن عدد الذرات في مستوى الطاقة الأدنى E 1 يكون أكبر من عددها في المستوى الذي يعلوه E 2، ويتناقص العدد تباعاً في مستويات الطاقة الأعلى E 3 ثم E 4... وإذا استثيرت الذرة (كما يحدث في جهاز توليد الليزر نتيجة ضخ الطاقة hv) فإن توزيع عددها في مستويات الطاقة يتغير نتيجة لانتقال إلكترونات من المستويات الأدنى إلى المستويات التي تعلوها. وعندما تنتقل إلكترونات من المستوى E 1 إلى المستوى E 2 بحيث يصبح عدد الذرات في المستوى E 1 أقل من عددها في المستوى E 2 (كما بالشكل (2) يقال للذرات إنها في حالة «تعاكس إسكاني»، ويكون هذا الوضع غير مستقر، وتحاول الذرات بطبيعتها أن تعود إلى الحالة المستقرة بانتقال إلكترون من المستوى E 2 إلى المستوى E 1، وكل إلكترون يفعل ذلك يتخلى عن طاقة قدرها hv (هي الطاقة المنبعثة وقدرها (E 1 - E 2 = hv) (أي لها التردد نفسه للفوتون الساقط من الضخ) . وتكون حركة كل من الفوتونين في الاتجاه نفسه.
وعند ضخ الفوتونات ذات التردد v لكي تسقط على الذرات يحدث أحد أمور ثلاثة (يوضحها الشكل 3): (أ) إذا كانت طاقة الفوتون الساقط (الذي يضخّ) لا تساوي (E 2 - E 1) فإنه يمر بين ذرات المادة دون أن يتفاعل معها (الشكل أ) . (ب) وإذا كانت طاقة الفوتون الساقط تساوي الفرق (E 2 - E 1) وكان عدد الذرات بالمستوى الأدنى E 1 أكبر من عددها بالمستوى الأعلى E 2 فإن الذرة تمتص الفوتون الساقط عليها (بانتقال الكترون من E 1 إلى E 2 ـ الشكل ب) . (ج) وإذا كانت طاقة الفوتون الساقط تساوي الفرق (E 2 - E 1) وكانت الذرات في حالة تعاكس اسكاني (أي أن عددها بالمستوى E 1 أقل من عددها بالمستوى E 2) فإن الذرات المستحثة يمكنها أن تشع الطاقة الممتصة الزائدة (E 2 - E 1) لتعود الذرة إلى المستوى E 1 حيث تكون أكثر استقراراً (الشكل ج) . وقبل أن تجد الذرات فرصة للعودة إلى المستوى الأدنى للطاقة E 1 فإن الفوتونات الساقطة تصطدم بالذرة المستحثة والتي تعود عندئذ إلى مستوى الطاقة الأدنى، ويصحب ذلك انبعاث فوتون له التردد (v) نفسه. وتواصل الفوتونات الساقطة سيرتها مصحوبة بالفوتونات المنبعثة. وفي جهاز توليد أشعة الليزر يتزايد عدد هذه الفوتونات وتتصاعد طاقتها كلما طالت مسيرتها، الأمر الذي يتحقق بوجود السطحين العاكسين. وفي نهاية الأمر تتمكن الفوتونات عالية الطاقة من اختراق السطح نصف العاكس، منطلقة إلى خارج مولد أشعة الليزر على شكل حزمة دقيقة من الأشعة المكثفة والمتوازية والمترابطة، هي حزمة أشعة الليزر.
علوم الفيزياء 2 L1

الشكل 1

الشكل 2