قبـل از هـر چیـزی بایـد یک اطلاعـات مختصـر و مفیـد در خصـوص مـاده، لایه اتمی عناصر، مولکـول و میـدانهـای الکتـریکـی و مغنـاطیـسی داشتـه باشیـم تا بتوانیـم آگاهانـه وارد امور شویم.
منشـا میـدان مغنـاطیسـی زمیـن چیسـت؟
یکی از ویژگی های مهم کره زمین، وجود خاصیت آهنربایی در آن است و مانند این است که درون کره زمین ، آهنربای بسیار بزرگی قرار داده شده است و تا کنون نظریه های گوناگونی برای علت آن ارائه شده است. آخرین نظریه این است که درون کره زمین، مواد مذاب در حال حرکت وجود دارد و بیشتر این مواد از جنس آهن و نیکل هستند.
هنگامی که این مواد حرکت می کنند در اطراف جریان های الکتریکی ضعیفی به وجود می آورند که در مجموع ، باعث می شود کره زمین، خاصیت آهنربایی پیدا کند و در اطراف کره زمین، میدان مغناطیسی به وجود می آید. ما روی آهنربای بزرگی به نام “زمین” زندگی می کنیم .
چندین سیاره دیگر از سیاره های منظومه شمسی نیز میدان مغناطیسی دارند که از جمله آنها می توان از عطارد و مشتری نام برد. این خاصیت در خورشید و بسیاری از ستاره های دیگر نیز دیده می شود .خاصیت مغناطیسی کره زمین ، نقش بسیار مهمی در جهت یابی کشتی ها و هواپیماها دارد.
شمال و جنوب مغناطیسی زمین ثابت نیست و در فاصله های زمانی ، به میزان قابل ملاحظه ای تغییر می کند. خاصیت مغناطیسی در هر ماده مقدار بیشینه ای وجود دارد. این مقدار بیشینه زمانی ایجاد می شود که ماده فرو مغناطسی را در یک میدان قوی مغناطیسی خارجی قرار بدهیم به صورتی که تمامی حوزه های آن به هم پیوسته و دو قطبی های آن موازی و همسو با میدان خارجی شود.
زاویه انحراف مغناطیسی زمین:
چنانچه به کمک عقربۀ مغناطیسی به طرف قطب شمال یا جنوب برویم، به قطب شمال و جنوب واقعی کره زمین نمی رسیم . علت این است که قطب شمال و جنوب جغرافیایی و مغناطیسی کره زمین با هم یکی نیست، یعنی اینکه قطب شمال مغناطیسی زمین درست روی قطب شمال جغرافیایی زمین قرار ندارد و اگر دو قطب جغرافیایی و مغناطیسی زمین را توسط خطی فرضی به به نام “محور” به هم وصل کنیم، بین دو محور مغناطیسی و محور جغرافیایی زمین ، زاویه ای ساخته می شود که به آن، زاویۀ انحراف گویند .
این زاویه ، به مرور زمان به صورت جزئی تغییر می کند و ثابت نمی ماند، و اندازه آن در نقاط مختلف زمین متفاوت است . زاویۀ انحراف در جهت یابی هواپیماها و کشتی ها بسیار مهم است . هم اکنون قطب شمال مغناطیسی کره زمین ، در شمال کانادا قرار دارد.
زاویـه میـل چیسـت؟
مطالعۀ مغناطیسی زمین، نشان می دهد که خط های میدان مغناطیسی زمین افقی نیست و با سطح زمین زاویه ای می سازد. همچنین می دانیم خاصیت مغناطیسی یک آهنربا در نقاط مختلف آن متفاوت است و در دو قطب آن ، این خاصیت بیشتر است. به همین ترتیب، خاصیت آهنربایی کره زمین در دو قطب بیشتر است.
پس اگر یک عقربۀ مغناطیسی آزاد باشد تا بتواند در راستای عمودی نیز حرکت کند نوک این عقربه نزدیک قطب ها به زمین متمایل می شود و در خط استوای مغناطیسی عقربه، افقی قرار میگیرد و در قطبها به عنوان مثال در قطب شمال نوک عقربه یعنی N آن عمود بر سطح افقی خواهد شد. پس محور مغناطیسی عقربه های مغناطیسی در مکان های مختلف استوا تا قطب، نسبت به سطح افق تغییر کرده و زاویه ای با افق می سازد، این زاویه را زاویۀ میل گویند.
پس زاویه میل، زاویه ای است که محور مغناطیسی عقربه با سطح افق می سازد. همچنین این زاویه ، در جهت یابی هواپیماها و کشتی ها نقش بسیار مهمی دارد ؛ در جغرافیا به این زاویه، عرض جغرافیایی گویند.
باستانشناسی مغناطیسی چیست؟
میدان مغناطیسی زمین، منظم و پایدار نیست، بلکه با گذشت سال ها در یک محل معین، مقدار متوسط زاویۀ انحراف و میل تغییر می کند. این انحراف محور مغناطیسی و در نتیجه ی تغییرات زاویه انحراف و زاویه میل در یک محل نسبت به زمان ، شاخۀ جدیدی را در باستان شناسیبه نام “باستانو مغناطیسی” ایجاد کرده است که توسط آن عمر کوره ها، اجاق ها و آتشکده های قدیمی تعیین می شود.
اساس کار ، مبتنی بر این است که بیشتر خاک رس هایی که این اجسام از آنها ساخته شده اند ، حاوی مقدار کمی مواد مغناطیسی اند. سمتگیری این مواد مغناطیسی، با گرم شدن در موقع استفاده عادی تثبیت شده است. با مقایسه جهت فعلی میدان مغناطیسی زمین با جهت میدان مغناطیسی این مواد، می توان قدمت باستانی تقریبی آن ها را تعیین کرد.
در مقیاس طولانی تر زمان (دوران زمین شناسی)، شواهدی وجود دارد که نشان می دهد محور مغناطیسی زمین در مدت چهار میلیون سال گذشته ، نه بار کاملاً تغییر جهت داده است . این شواهد ، مبتنی بر اندازه گیری های خاصیت مغناطیسی ضعیف تثبیت شده در تخته سنگ های با عمر زمین شناسی معین هستند.
ساختـار اتـم الکتـرونـی
چنانچه گفته شد اتمها از ترکیب الکترونها و پروتونها شکل گرفته اند و هسته اتمها نیز از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی تشکیل شده است. به این ترتیب ، اتم خنثی هستهای با بار مثبت دارد که با الکترونهای منفی احاطه شده است. اندازه هسته در هر اتم از مرتبه حدود ۱/۱۰ اندازه اتم است. بقیه حجم اتم را الکترونهای مداری در اشغال خود دارند.
نـگاه در سـیر تحـولـی و رشـد
در نظریه های دالتـون و و نظریه های یونانیان ، اتمها کوچکترین اجزای ممـکن مـاده بـودند. اما در اواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچکتر ترکیب یافته و بنام الکترون نامیـدنـد.
انتقـال الکتـرونهـا
در رسـانـای الکتـریسته که معمولا از جنس فلـزنـد، مسیرهایی برای انتقـال سـریع الکتـرونها وجـود دارد. یونها، اتمها و مولکولهای با بار الکتریکی مثبت یا منفی در محلولها ( نیز می توانند رساننده الکتریسته باشند. الکتریسته می تواند در هوا یا گازهای دیگر نیز منتقل شود، این انتقال یا به صورت جرقه هایی است که چشمه های با ولتاژ زیاد چند هزار ولت به ازای هر سانتیمتر فاصله آن را در فشار جو بوجود می آورد. و یا در فشار کم نظیر آنچه در لامپ های نئونی روی میدهد به صورت تخلیه الکتریکی است.
زوج مـاده – ماده های خنثی عامل اصلی انرژی نوسان خلاء یا انرژی نقطه صفر هستند به استناد تعاریف فعلی بدون هیچگونه میدان خارجی و با حذف تمامی اشعه ها باز هم انرژی نوسانات خلاء وجود دارد. در واقع فضا در پایینترین نقطه پتانسیل خود دارای مقدار انرژی مخالف صفر است . انرژی نقطه صفر یا انرژی نوسان خلاء ، اصطلاحی است که برای نوسانات تصادفی امواج الکترومغناطیسی در خلاء به کار برده می شود و این انرژی پس از حذف تمام انرژیهای موجود در محیط ، باز هم مشاهده می شود . مفهوم انرژی نقطه صفر نخستین بار توسط انیشتین و اوتـو استـرن در سال ۱۹۱۳ تحت عنـوان “انـرژی رسـوبـی” یا “انـرژی مبهم صفـر” مطـرح شـد .
اما موضوع بسیار مهم این است که ما باید همواره این نکته را به یاد داشته باشیم که انرژی نقطه صفر دارای ماهیتی الکترومغناطیسی است، بنابرین عنصر یا عامل تولید کننده این انرژی نیز باید از ویژگی های میدانهای الکترومغناطیسی برخوردار باشد، یعنی باردار باشد تا بتواند ویژگیهای الکترومغناطیسی انرژی نقطه صفر را توجیه کند. و ما میتوانیم از اثرات میدانهای رانشی موجود در خلاء چشم پوشی کنیم .
ولی همانطور که میدانیم دسترسی به مکانی بدون هیچگونه میدان خارجی و با حذف تمامی اشعه ها اگر غیر ممکن نباشد کار بسیار سختی است، برای اینکه اگر ما از هر مانعی استفاده کنیم ممکن است میادین بر آن مانع القاء شده و بعد خود همین مانع مولد میدان شود و همچنین ممکن است این مانع خود جاذب اشعه و سپس مولد و دافع این اشعه شود ، ولی به هر حال میتوان اینگونه فرض کنیم که در هستی هیچ سکونی وجود ندارد.
به طور مثال اتمها و ملکولها با سرعتهای بسیار بالا در حال نوسان هستند که در جامدات دامنه این نوسانات کم ولی در گازها این دامنه نوسانات نسبتا زیاد است و همواره اتمها و ملکولها با شدت با هم برخورد و تصادم دارند. در مورد خلاء و زوج ماده – ماده های خنثی هم اینگونه است، در واقع زوج ماده – ماده های خنثی همواره در نوسان هستند و با هم برخورد دارند و این برخوردها باعث بوجود آمدن تغییر در سرعت زاویهای اسپین ذرات شده که به نوبه خود مولد امواج الکترومغناطیس است .
در پارهای از موارد ممکن است پیوندها در بازه زمانی بسیار کوتاهی گسسته و مجددا برقرار شوند و همچنین بسیار محتمل است که تصادم مابین زوج الکترون – الکترونها و زوج پروتون – پروتونها رخ دهد که در لحظه برخورد علیرغم تولید و انتشار امواج الکترومغناطیس ، چنانچه برخوردها شدید باشد شاهد پدیدار شده اتمهای هیدروژن و یا پاد هیدروژن و …. باشیم ، آشکار شدن ذرات و پاد ذرات نیز بسیار محتمل و توجیه پذیر است که در نوع خود بسیار شگفت انگیز خواهد بود ) یعنی آفرینش ذرات و اتم یا زایش آنها از خلاء ( ، ولی به طور کلی برخورد و تصادم زوج ماده – مادههای خنثی انرژیزا است و آنهم از نوع الکترومغناطیسی و این پدیده در همه جا عملی و ممکن است حتی درون اطاق یا خانهای که درون آن هستیم . پیوند مجدد ذرات با دریافت انرژی از محیط یا خلاء همراه است که این فرایند دمای خلاء را متعادل نگه میدارد .
اما موضوع مهم این است که ما نمی توانیم میدان الکتریکی را مستقل از میدان مغناطیسی در نظر بگیریم و برعکس که در مورد ماده و انرژی برای ما در این عالم فیزیکی آفریده شده هم این چنین است ، یعنی هر جا انرژی باشد باید به دنبال ماده (یعنی منبع تولید و انتشار آن) باشیم و هر جا ماده باشد باید به دنبال تولید و انتشار انرژی بود ، تصور این دو به تنهایی و انفرادی برای ما غیر ممکن بهنظر میرسد .
زوج ماده – ماده های خنثی می توانند حجم و جرم بسیار عظیمی از کیهان را تشکیل داده باشند که نه تنها قابل مشاهده و احساس نیستند بلکه انرژی بسیار عظیمی را درون خود محبوس و به دام انداخته اند . به طور خلاصه اگر زوج ماده – ماده های خنثی در آزمایشگاه شناسایی شوند ما در علم فیزیک نیاز به یک خانه تکانی بزرگ خواهیم داشت البته اگر بتوانیم از نظریات قبلی دست بکشیم و نگرش جدیدی نسبت به آزمونها داشته باشیم که در نهایت مفاهیم علم فیزیک عصر ما دگرگون خواهند شد منجمله اصل هم ارزی جرم و انرژی نسبیت.
اگر ما انرژی نسبتا زیادی را در نقطهای از فضا (خلاء) متمرکز و یا تشدید کنیم به نحوی که موفق به گسستن پیوند مابین زوج ماده – ماده های خنثی شویم ، بعد از انحراف و جداسازی آنها خواهیم توانست با شتاب دهنده ها این ذرات را در آشکارسازها مشاهده کنیم که مسلما طرفداران نظریه نسبیت خواهند گفت که انرژی به ماده تبدیل گردیده است و شاید این عینک هم ارزی جرم و انرژی تا به ابدیت بر روی چشمان بشریت باقی بماند.
به طور خلاصه همانطور که در مبحث وارونگی میادین الکتریکی ، توجیهی جدید برای تولید زوج ماده – پاد ماده . بر خلاف انتظار ما ، ماده – پاد ماده یکدیگر را نابود نمیکنند!. توضیح داده شد الکترونها و سایر ذرات باردار ساکن نیستند و حول محور فرضی خود با سرعت چرخشی بسیار بالایی در حال دوران هستند که به این دوران آنها اسپین گفته میشود .
اگر دوران الکترون را موافق چرخش عقربه های ساعت فرض کنیم و آن را از بالا بنگریم در شکل مقابل مشاهده میشود:
امتداد خطوط میدان از مرکز الکترون یا میدان الکتریکی ، خارج و حول مرکز به صورت دوایری تو در تو و پیوسته در می آید که میتوانیم آن را یک میدان الکتریکی بسته و تا بینهایت در نظر بگیریم ، برای اینکه این میدان دایرهای شکل هیچ آغاز و پایانی ندارد . همانطور که میدانیم ، هرگاه میدان الکتریکی در فضا برقرار شود ، میدان مغناطیسی عمود بر امتداد آن پدیدار خواهد شد و برعکس آن نیز صادق است که به مجموعه این دو میدان در فضا ، میدان الکترومغناطیس گفته میشود .
در شکل فوق نمای الکترون سطح دایرهای قرمز رنگ از پهلو و در حال دوران حول محور عمودی نشان داده شده است ، به گونهای که اگر از بالا به آن بنگریم جهت چرخش آن موافق جهت چرخش عقربه های ساعت خواهد بود . خطوط افقی سیاه رنگ ، میادین الکتریکی و فلش قرمز رنگ جهت میدان الکتریکی از روبرو را نشان میدهد که در این صورت جهت فلش های آبی رنگ ، جهت میدان مغناطیسی تشکیل شده را نشان می دهد . با توجه به دو قطبی بودن الکترون و ذرات باردار دیگر ، آنها می تواند تشکیل زوج ماده – ماده دهند یعنی شکل مقابل :
یک زوج مـاده خنثـی: با سیـستم دوتایـی بهمـراه میـدان الکترومغنـاطیسی بسته را میتوان چنین توصیف کـرد .
همانطور که در شکل فوق مشخص است میادین الکتریکی و مغناطیسی (الکترومغناطیسی) به صورت بسته در آمده و زوج در خارج از میادین خنثی بنظر رسیده و غیر قابل شناسایی است . تنها زمانی که این زوجها با هم تصادم و تماس حاصـل میکنند که امواج الکترومغناطیس تولیـد و منتشر خواهد شد که ما چنین استنباط خـواهیـم کرد که این انـرژی و نوسان آن مربوط به خلاء است که در واقـع چنین نیست. این انرژی الکترومغناطیسی که به نام انرژی نوسان خلاء یا انرژی نقطه صفر شناخته شده است مربوط به تصادم زوج ماده – مادههای خنثی میشود . البته همانطور که میدانیم طول موج این امواج الکترومغناطیس خیلی بیشتر از قطر ذرات باردار است حتی قطر خود اتمها و طول موج این امواج تابع سرعت زاویهای ذرات باردار میباشد ، موضوعی است که در مبحث تولید و انتشار امواج الکترومغناطیس به آن خواهیم پرداخت .
درآزمایشگاه نیز با واپاشی فوتـون ، زوج الکتـرون ؛ پوزیتـرون تولیـد شد . فـوتـونـی با انرژی زیـاد (فوتـون گاما) تمامـی انـرژی خود را در برخـورد با هسته از دست میدهـد و یک زوج الکتـرون ؛ پوزیترون می آفریند. پوزیتـرون ذره ای است که کلیه خـواص آن با خـواص الکتـرون یکسـان است مگر بار الکتـریکـی آن ، زیرا بار الکتریکی پوزیترون مثبت است .
۱- میـدان الکتـریکـی:
الکترون فرضی بدون چرخش (اسپین) مشاهدات تجربی نشان داده است که خطوط میدان الکتریکی پیرامون یک بار ساکن منفی به صورت خطوط مستقیم و رو به مرکز آن است ، برای اینکه بارهای مثبت ساکن در پیرامون مرکز ، به صورت مستقیم جذب مرکز میدان می شوند . ما به طور فرضی و قراردادی جهت خطوط میدان یا بردارهای نیروی الکتریکی پیرامون بار ساکن منفی را به طرف مرکز میدان در نظر میگیریم . البته شکل فوق یک مثال است و با توجه به جرم بیشتر پروتون ، الکترون به طرف آن حرکت خواهد کرد . آنگونه که از شکل فوق بر میآید دو بار الکتریکی منفی نسبت به یکدیگر دافعه داشته ولی دو بار الکتریکی منفی و مثبت نسبت به یکدیگر جاذبه دارند .
۲- میـدان الکتـریکـی پروتـون:
فرضی بدون چرخش (اسپین) همچنین مشاهدات تجربی نشان داده است که خطوط میدان الکتریکی پیرامون یک بار ساکن مثبت به صورت خطوط مستقیم و رو به بیرون مرکز آن است ، برای اینکه بارهای مثبت ساکن در پیرامون مرکز ، به صورت مستقیم از مرکز میدان دفع می شوند . ما به طور فرضی و قراردادی جهت خطوط میدان یا بردارهای نیروی الکتریکی پیرامون بار ساکن مثبت را به طرف بیرون میدان و خارج از مرکز در نظر میگیریم . آنگونه که از شکل فوق بر می آید دو بار الکتریکی مثبت نسبت به یکدیگر دافعه داشته ولی دو بار الکتریکی منفی و مثبت نسبت به یکدیگر جاذبه دارند .
۳- میـدان الکتـریکـی یکنـواخت:
شکل فوق میدان الکتریکی یکنواختی را مابین دو صفحه رسانای موازی ، با بارهای هم اندازه ولی غیر همنام نشان میدهد .
انحنـای میـادیـن الکتـریکـی:
دو بار الکتریکی همنام ، یکدیگر را دفع و میدان الکتریکی پیرامون آنها تقریبا به صورت شکل فوق است .دو بار الکتریکی غیر همنام ، یکدیگر را جذب و میدان الکتریکی پیرامون آنها تقریبا به صورت شکل فوق است . دو شکل فوق بیانگر این موضوع است که میادین الکتریکی صلب نبوده و قابلیت انحنا دارند .
دوران میـادیـن الکتـریکـی:
الف : دوران میـدان الکتـریکـی الکتـرون: فرضی با چرخش ) اسپین ( ، موافق چرخش عقربههای ساعت همانطور که میدانیم الکترونها ساکن نیستند و حول محور فرضی خود با سرعت چرخشی بسیار بالایی در حال دوران هستند که به این حرکت آنها اسپین گفته میشود . اگر دوران الکتـرون را موافـق چـرخـش عقربه های ساعت فـرض کنیم و آن را از بالا بنگـریم مشاهده میشود که :
- اگر سرعت دوران (سرعت زاویه ای) الکترون را کم در نظر بگیریم، خطوط میدان تقریبا همانند شکل ۱ خواهد بود
- با افزایش سرعت دوران الکترون ، خطوط میدان تقریبا به صورت شکل ۲ خواهد بود
- و در نهایت با در نظر گرفتن سرعت دوران الکترون که بسیار بسیار زیاد میباشد ، امتداد خطوط میدان از مرکز الکترون یا میدان الکتریکی ، خارج و حول مرکز به صورت دوایری تو در تو و پیوسته در میآید که میتوانیم آن را یک میدان الکتریکی بسته و تا بینهایت در نظر بگیریم برای اینکه این میدان دایرهای شکل هیچ آغاز و پایانی ندارد البته این پدیده در برد کم و در جوار الکترون روی می دهد و میدان الکتریکی در خارج از دوایر نیز موجود است البته خمیده و رو به داخل ، همانند شکل زیر :
ولی چنین به نظر میرسد که داخل و مابین دوایر ، خلاء میادین الکتریکی حاکم شده باشد . لازم به توضیح است که دو شکل فوق نمای الکترون را از بالا نشان میدهد و اگر آن را از پایین بنگریم مشاهده میکنیم که :
الکترون در حال چرخش مخالف جهت گردش عقربه های ساعت است و همچنین سمت و سوی میدان الکتریکی آن ، مخالف حرکت عقربه های ساعت شکل گرفته است که می توانیم این پدیده جالب و شگفت انگیز را “انعکاس دوران ذرات و میادین آنها در فضای سه بعدی” تعریف کنیم زیرا شکل فوق همانند تصویری در آینه است. پس مسئله اسپین برای الکترون و در کل برای ذرات دیگر نیاز به دقت فراوان دارد ، برای اینکه الکترون هر دو اسپین را بسته به دید ناظر از خود نشان میدهد و مسلما تمامی ذرات هم اینچنین رفتار میکنند ، در حقیقت تمامی ذرات دوران و میادین آینهای در فضای سه بعدی دارند . و با توجه به مطالب فوق میتوانیم ساختار فیزیکی اتمها را توجیه نماییم .
الکتـرومغنـاطیـس:
همانطور که میدانیم ، هرگاه میدان الکتریکی در فضا برقرار شود ، میدان مغناطیسی عمود بر امتداد آن پدیدار خواهد شد و برعکس آن نیز صادق است که به مجموعه این دو میدان در فضا ، الکترومغناطیس گفته میشود .در شکل فوق نمای الکترون (سطح دایرهای قرمز رنگ) از پهلو و در حال دوران حول محور عمودی نشان داده شده است، به گونه ای که اگر از بالا به آن بنگریم جهت چرخش آن موافق جهت چرخش عقربه های ساعت خواهد بود .
خطوط افقی سیاه رنگ ، میادین الکتریکی و فلش قرمز رنگ جهت میدان الکتریکی از روبرو را نشان میدهد که در این صورت جهت فلشهای آبی رنگ ، جهت میدان مغناطیسی تشکیل شده را نشان میدهد . تصویر سه بعدی زیر ، یک الکترون و میدان مغناطیسی پیرامون آن را نشان میدهد .
رنگ آبی به طور قراردادی بیانگر قطب S و رنگ قرمز بیانگر قطب N میباشد . در این وضعیت قطبین مغناطیسی الکترون از دید ناظر همسو با قطبین مغناطیسی فعلی سیاره زمین فرض میشوند .
اینک ما با توجه به دوران ذرات و میادین الکتریکی و همچنین انعکاس دوران ذرات و میادین الکتریکی آنها در فضای سه بعدی میتوانیم پدیدار شدن دو قطب مغناطیسی را در الکترون توجیه کنیم . به شکل زیر توجه نمایید:
همانطور که از شکل فوق بر می آید هر مقدار که به طرف قطبین مغناطیسی الکترون نزدیک شویم امتداد بردار میدان الکتریکی به محور دوران الکترون نزدیکتر شده و از قطر مارپیچ دوران کم میشود . کاملا روشن است که جهت دوران دو مارپیچ با یک دیگر متفاوت است ، مارپیچ بالایی در جهت موافق عقربههای ساعت و پایینی مخالف جهت چرخش عقربههای ساعت تاب میخورد و این مسئله باعث به وجود آمدن قطبهای مغناطیسی S و N میشود ولی در کل ، وقتی به الکترون از پهلو یعنی عمود بر محور چرخش آن نگاه میکنیم ، جهت میدان الکتریکی در الکترون ثابت میماند برای اینکه امتداد خطوط میدان الکتریکی را از بیرون به طرف داخل فرض کردهایم و با استفاده از قانون دست راست مسیر میدان مغناطیسی برای ما روشن است .
یکی از بزرگترین سوالات مطرح شده در مکانیک کوانتومی این است که چگونه دو الکترون در یک اوربیتال اتم جای میگیرند ، برای اینکه دو الکترون به خاطر داشتن بار الکتریکی همنام میبایست همدیگر را برانند و یکدیگر را در یک تراز انرژی تحمل نکنند و این سوال به این خاطر مطرح میشود که امتداد خطوط میادین الکتریکی در اجسام ساکن ، مستقیم است و اجسام با بارهای همنام همدیگر را میرانند ولی چون میدانیم الکترونها در حال دوران به دور خود هستند و میدان مغناطیسی پیرامون آنها شکل گرفته است پس این میدان مغناطیسی میبایست نیروی جاذبهای قوی مابین دو الکترون بوجود آورد و بر دافعهی الکتریکی چیره شود ! ولی چگونه ؟ جواب سوال ما در جریان الکتریسیته DC در دو سیم رسانای موازی نهفته است.
دو پیکان قرمز رنگ سمت چپ تصویر ، مسیر میدان الکتریکی در دو سیم هادی جریان الکتریسیته را نشان میدهد که جهت جریان به طور قراردادی از قطب مثبت به منفی در نظر گرفته میشود و دوایر سبز رنگ تو در تو ، خطوط میادین مغناطیسی تشکیل شده را نشان میدهند که جهت میدان مغناطیسی به طور قراردادی طبق قانون دست راست از قطب N به S میباشد ، یعنی جهت مخروطهای آبی رنگ . در سمت راست تصویر فوق به خاطر درک بهتر موضوع ، خطوط میدان مغناطیسی را از کمان به پاره خط تغییر دادهایم برای اینکه همواره در میادین مغناطیسی جهت میدان مشخص است ولی تجسم قطبین مغناطیسی کمی دشوار است ، لازم است مقداری از میدان برش داده شود، و اصولا در تمامی میادین ، سمت و جهت گیری میدان مهم است و قطبین صرفا جهت درک ابتدا و انتهای میدان مطرح می شوند که در میادین بسته مسئله قطبین نیز منتفی میشود، به هر حال چون جهت این خطوط مغناطیسی مخالف یکدیگر است در نتیجه قطبین مغناطیسی مخالف در جوار یکدیگر قرار گرفته و آنها یکدیگر را جذب و در نتیجه سیم ها همدیگر را می ربایند هرچند که امتداد خطوط مغناطیسی رو در روی یکدیگر قرار گرفته است و چنین پدیده ای دور از انتظار میباشد ولی آزمون آن را ثابت کرده است ، پس برای دو الکترون در حال دوران که میادین الکتریکی آنها به صورت دایره وار پیرامون آنها شکل گرفته و میادین مغناطیسی در آنها تشکیل شده است نیز همین پدیده پیش بینی میشود :
دو کره زرد رنگ در تصویر فوق، دو الکترون در حال دوران را نشان میدهد که اگر از بالا به آنها بنگریم ، الکترون شماره یک در جهت موافق عقربه های ساعت در حال دوران بوده ولی الکترون شماره دو در حال دوران مخالف جهت عقربههای ساعت میباشد . دوایر قرمز رنگ تو در تو ، خطوط میادین الکتریکی تشکیل شده را نشان میدهند که جهت میادین الکتریکی به وسیله مخروطهای قرمز رنگ مشخص شده است . البته لازم به توضیح است که فقط یک لایه از میادین الکتریکی پیرامون الکترونها رسم شده است . با توجه به اینکه جهت خطوط میادین الکتریکی دو الکترون هم سو با یکدیگر است مسلما میادین مغناطیسی یکدیگر را جذب و هم چنین دو الکترون یک دیگر را خواهند ربود ولی چون مقداری از نیروی الکتریکی الکترون در خارج از دوایر رسم شده موجود میباشد دو الکترون کاملا به هم نخواهند چسبید بلکه تعادلی مابین جاذبه مغناطیسی و دافعه الکتریکی برقرار میشود که الکترونها را همانند یک پیوند شیمیایی در کنار یکدیگر نگه میدارد . برای درک بهتر موضوع شکل زیرا را به بینید .
در حقیقت دو الکترون در نزد هم قرار میگیرند و یک زوج ماده – ماده را تشکیل میدهند و میدان الکتریکی پیرامون الکترون در فاصله کوتاه میبایست به صورت دایرهای و بسته باشد که در غیر این صورت میادین مغناطیسی پدیدار نخواهند شد و دو الکترون نمیتوانند یکدیگر را در یک اوربیتال تحمل کنند . در واقع الکترونها به راحتی با یک چرخش ۱۸۰ درجهای ، اصطلاحا اسپینشان را در دید ناظر معکوس میکنند ، و در حالت فوق چنین تصور میشود که دو الکترون نسبت به یکدیگر قفل میشوند و جدا شدن آنها به این راحتیها نخواهد بود و آنچه که باعث زوجیت در آنها میشود همجنس بودن یا هم بار بودن آنها نیست بلکه این نیروی مغناطیسی قوی مابین دو قطب غیر هم نام باعث پیوند و زوجیت آنها میشود که این پدیده در پروتونهای داخل هسته و پیوندهای شیمیایی مابین اتم ها در ملکول های گاز هیدروژن و اکسیژن و …. بسیار مشهود است ، که از این رو نظریه نیروی قوی هسته ای و نظریات مربوط به پیوندهای شیمیایی را می توانیم به گونه ای دیگر توجیه نماییم که در آینده در مورد آنها بحث خواهد شد .
وارونگـی میادیـن الکتـریکـی الکتـرونهـا و پـدیـده زوج مـاده (پاد ماده):
وارونگی میدان الکتریکی در یک الکترون زمانی روی میدهد که یک شوک قوی الکترومغناطیسی توسط پرتو پر انرژی گاما به الکترون وارد شود ، در این حالت بخصوص ، الکترونی که تحت تاثیر تابش اشعه گاما قرار میگیرد به علت شارژ ناگهانی الکترومغناطیسی قوی از جانب گاما ، میدان الکتریکی پیرامونش وارونه شده و به پوزیترون تبدیل میشود . همانطور که از شکل زیر بر می آید امتداد خطوط الکتریکی در پوزیترون همانند پروتون از داخل به خارج است.
آیا مـاده، پـاد مـاده همـدیگـر را نابـود میکنـند ؟ جـواب سوال فوق به سه دلیل منفی است !
- درون محفظه آشکار ساز ، گاز وجود دارد و همانطور که میدانیم الکترونها در بیرون هسته اتم گازها حضور دارند و پوزیترون در حال شتاب با آنها تماس دارد و به همین دلیل مسیر آن در آشکار ساز دیده میشود ! ولی هیچ انهدامی صورت نمیگیرد و پوزیترون به حرکت خود ادامه میدهد تا انرژیش مستهلک شود و از حرکت باز ایستد .
- یک پاد پروتون (پروتون با بار منفی) با سرعت به هسته اتم هیدروژن شلیک میشود ، ولی با کمال تعجب مشاهده میشود که علی رغم اغتشاش در اوربیتال هیدروژن ، تصادمی مابین پروتون – پاد پروتون به وجود نمیآید . این شبیه سازی در حالی صورت می گیرد که پاد پروتون از کنار پروتون رد شده و علی رغم داشتن بار الکتریکی مخالف ، دو ذره نسبت به هم بیتفاوت هستند و دلیل آن سرعت زیاد پاد پروتون است . جهت اینکه تصادمی مابین ماده – پاد ماده برقرار شود باید سرعت کاهش یافته تا قطبین مخالف مغناطیسی مجالی برای جذب و تشکیل پیوند داشته باشند و درست است که با برخورد این ذرات انرژی تولید میشود ولی این انرژی همان انرژی میباشد که صرف تبدیل ماده به پاد ماده شده است ، اگر تصادم در سرعت بالا صورت گیرد به احتمال زیاد ذرات همدیگر را خرد و متلاشی کرده و به ذرات کوچکتر تبدیل می شوند . ذرات پاد ماده بعد از تبدیل شدن به ماده ، به ذرات هم جنس خود از نوع ماده ملحق شده و چنین به نظر میرسد که همدیگر را نابود کردهاند و این در حالی است که قابلیت آشکار شدن را ندارند ، برای اینکه عمر پاد ماده بسیار کوتاه است و می تواند سریعا به ماده تبدیل شود .
- پروتون و الکترون غیر هم بار هستند و می توانیم آنها را به گونهای پاد و ضد هم قلمداد کنیم و اگر به حد کافی انرژی نداشته باشند تا اتم هیدروژن را تشکیل دهند ، در هم ادغام و به نوترون تبدیل می شوند ، البته به همراه تابش مقادیری از انرژی . ماده و پاد ماده هم اینگونه اند اگر فرض کنیم وارونگی پاد ذرات برطرف نشود در نهایت ماده – پاد ماده ای که ما میشناسیم در هم ادغام و ذرات جدید را پدیدار می کنند و در هر حال نابودی در کار نمی باشد بلکه همواره تبدیلاتی از ذرات روی میدهد .
سخن آخر اینکه ما می توانیم با دوران میادین الکتریکی ، میادین گرانشی و حتی میادین مغناطیسی ، بسیاری از پدیده های فیزیکی منجمله موارد زیر را توجیه نماییم !
- تولیـد و انتـشار امـواج الکتـرومغنـاطیـس توسـط ذرات و عناصـر
- حالات و رفتار عجیب و دوگانه سـیاهچالـه ها و ستـارگان نوتـرونـی
- چگونگـی تشکیـل پیـونـدهـای شیمیـایـی
- سـقوط اجسـام به مراکـز جاذبـه و سیـستم چرخـش شگفت آور ستـارگان در مجمـوعـه کهکشـانـی
- توجیه ساختار اتمها و ……. که در آینده در مورد آنها مطالبـی ارائه خواهد شد .
با توجه به مطالب فوق نظریه نیروی هستهای قوی و ضعیف را می توان به گونه ای دیگر توجیه کرد ، چرا که پروتونها نیز وضعیتی مشابه الکترونها دارند و به سادگی میتوانند زوج ماده – ماده تشکیل داده و هسته عناصر را به همراه نوترونها نظم دهند ، برای اینکه دوران میدان الکتریکی آنها بسیار قوی و کوتاه برد است و چنین استنباط میشود که در عالم فقط دو نیروی گرانش و الکترومغناطیس قابل شناسایی باشد . نظریه دوران میادین الکتریکی جایگزینی مناسب برای تئوری نیروهای هسته ای قوی است زیرا آنگونه که از قدرت این نیروی دوران در کهکشان ها مشاهده می شود، این نیرو می بایست بسیار قوی باشد .
تقریبا تمامی میادین گرانشی و الکتریکی در عالم با دوران خود محدود میشوند و نیروی آنها از خط مستقیم به صورت دایره و کره در میآید زیرا در صورت خطی بودن این نیروها ، این نیروها تجمع کرده و بعد از اتحاد باعث عدم ثبات و بقای هستی میشدند ، یعنی همان ایرادی که به قانون جهانی گرانش و مکانیک کلاسیک وارد است . این دوران برای پدیدار شدن هستی و بقای آن الزامی است . سئوالاتی که برایمان پیش می اید بشرح زیر میباشند.
ویژگی جهت نیروی الکترو مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان(یا ذره باردار متحرک) در میدان مغناطیسی چیست؟
الف- این نیرو بر راستای جریان سیم (یا راستای حرکت ذره باردار)
ب- جهت این نیرو با استفاده از قاعده دست راست تعیین می شود. دست راست را باز کرده و چهار انگشت مستقیم را در جهت جریان (یا در جهت سرعت ذره باردار) قرار می دهیم به طوری که اگر آنگشتها را به آرامی ببندیم در جهت میدان مغناطیسی قرار بگیرند در این حالت انگشت شست جهت نیرو را نشان میدهد.
گر سیمی به طول یک متر را که جریان یک آمپری از آن میگذر در میدان مغناطیسی به صورت عمود بر میدان قراربدهند و نیروی یک نیوتنی بر آن وارد شود . بزرگی این میدان حتما یک تسلا خواهد بود. ۱=M1A×۱N /( 1T) یک تسلا برابر یک نیوتون بر آمپر متر میباشد. بر طبق این قاعده برای بارهای مثبتی که وارد میدان مغناطیسی میشوند بیان میکندکه اگرچهار انگشت دست راست را به صورت راست شده در جهت حرکت بار مثبت که همان جهت سرعت و یاجریان است قرار بدهیم به طوری که با بستن دست . انگشتها در جهت میدان مغناطیسی قرار بگیرند. انگشت شست جهت نیروی الکترو مغناطیسی وارد بر ذره را نشان خواهد داد به شکل دقت کنید :
چگونه جهت میدان مغناطیسی را در اطراف یک سیم حامل جریان نشان بدهیم؟
با استفاده از دست راست ……. انگشت شست را در جهت جریان قرار داده و چهار انگشت را به دور سیم حلقه میکنیم. که در هر نقطه انگشتها جهت میدان را نشان میدهند.
ویژگیهای میدان مغناطیسی حاصل از سیم حامل جریان را بنویسید؟
الف-این میدان به صورت حلقه های متحد المرکزی به دور سیم و عمود بر سیم ایجاد میشوندب-در نزدیکی سیم حلقه ها به نزدیکتر ) متراکمتر( و در فواصل دور از سیم حلقه ها بزرگتر و پراکنده تر هستند ) پراکندگی نشانه میدان ضعیف و تراکم نشانه میدان قویتر میباشد
پ-با افزایش جریان میدان افزایش میابد.
ت- جهت این میدان با قاعده دست راست مشخص میشود
ث-بزرگی این میدان از فرمول زیر بدست می آید
انگشت شست را در جهت
چگونه جهت میدان مغناطیسی را در یک پیچه یا حلقه تعیین کنیم؟
با استفاده از دست راست جریان حلقه یا پیچه قرار میدهیم و با چهار انگشت حلقه را در دست میگیریم .انگشتها جهت میدان را نشان میدهند.
جهت نیروهای وارد بر دو سیم موازی با جریان های همجهت را نشان دهید؟ اگر دو سیم موازی و دارای جریانهای همجهت باشند به سمت همدیگر کشیده میشوند با استفاده از قاعده دست راست جهت میدان و سپس جهت نیرو را مشخص میکنیم.
با رسم شکل جهت نیروی وارد بر دو سیم موازی با جریان های مخالف را نشان دهید ؟
نکته: اگر دو سیم موازی و مستقیم جریانهای هم جهت داشته باشند نیروی وارد بر هر کدام ربایشی /// واگرجریانهایمخالفهمداشتهباشندن
مـواد مغنـاطیـسی از نظـر رفتـار دوقطبـی هـای مغنـاطیـسی بـه سـه دستـه تقسیم مـی کنـند:
- الف)مواد پارامغناطیس
- ب )مواد دیامغناطیس
- پ )مواد فرومغناطیس
الف) مواد پارامغناطیس : موادی هستند که حرکت و جنبش دو قطبی هایشان راحت و آسان تر است. هنگامی که این مواد را در میدان مغناطیسی قرار دهیم، بر دوقطبی های آن نیرو وارد شده و تعداد زیادی از آن ها در خطوط میدان به طوری که قطب های شمال در جهت خطوط قرار می گیرند. و این امر سبب می شود که این مواد به یک آهنربای قوی تبدیل شود. اما چون حرکت و جنبش این دو قطبی ها سریع است، با برداشتن این مواد از میدان مغناطیسی، این دوقطبی ها به سرعت از مسیر خطوط خارج و به حالت کاتوره ای قبلی برمی گردند و این مواد در خارج از خطوط میدان به سرعت خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند. مانند آلومینیوم.
ب) مواد دیامغناطیس : مواد دیامغناطیس موادی هستند که اگر در میدان مغناطیسی قرار بگیرند از آهنربا دفع می شوند. در این مواد برآیند گشتاور دو قطبی مغناطیسی صفر است و در واقع فاقد دوقطبی ذاتی هستند و هنگامی که در میدان مغناطیسی قرار می گیرند، گشتاور دو قطبی در آن ها القا می شود اما جهت این دوقطبی های القا شده بر خلاف جهت میدان مغناطیسی خارجی می باشد و این امر باعث می شود که ماده دیامغناطیس از میدان مغناطیسی دفع شود. البته این خاصیت در تمام مواد وجود دارد، و هنگامی این خاصیت در مواد ظاهر می شود که خاصیت پارامغناطیسی آن ها ضعیف باشد. مانند: بیسموت.
پ) مواد فرومغناطیس : این مواد مانند مواد پارامغناطیس است اما با این تفاوت که در این مواد مجموعه ای از دوقطبی های مغناطیسی در یک جهت و راستا قرار دارند که این مجموعه ها در راستا و جهت های متفاوتی قرار دارند به طوری که اثر میدان یکدیگر را خنثی می کنند. که به این مجموعه از دوقطبی های مغناطیسی که در یک استا قرار دارند، حوزه مغناطیسی می گویند. هنگامی که این مواد در میدان مغناطیسی قرار می گیرند، بر حوزه های مغناطیسی نیرو وارد می شود و آن ها را در جهت میدان قرار می دهند. خاصیت مغناطیسی این مواد به سرعت تغییر مسیر این حوزه ها و قرار گرفتن در جهت میدان بستگی دارد. که از این لحاظ مواد فرومغناطیس را به دو دسته تقسیم می کنند:
- مواد فرومغناطیس نرم: در این مواد سرعت تغییر حوزه ها بسیار آسان و سریع است و به همین خاطر در میدان مغناطیسی این حوزه ها به سرعت در جهت خطوط میدان قرار می گیرند و خاصیت مغناطیسی بسیار قوی بدست می آورند. اما همینکه این مواد را از میدان دور کنیم، جهت این حوزه ها به سرعت تغییر و به حالت کاتوره ای قبلی بر می گردند. مانند آهن
- مواد فرومغناطیسی سخت: در این مواد سرعت تغییر حوزه ها بسیار سخت و کُند است و همین که در میدان قرار می گیرند، این حوزه ها به کندی در جهت خطوط قرار می گیرند و خاصیت مغناطیسی آن ها نسبت به مواد فرومغناطیس نرم ضعیف تر است؛ اما همین که از میدان دور می شوند بر خلاف مواد فرومغناطیس نرم خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کنند. مانند آلیاژ های نیکل. پس مواد پارامغناطیس و فرومغناطیس تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرند و به یک آهنربا تبدیل می شوند.