بار الکتریکی کوانیده

بار الکتریکی کوانیده است.

در زمان فرانکلین عقیده بر این بود که بار الکتریکی به صورت یک شاره پیوسته است. این عقیده در بسیاری موارد مفید واقع شد. اما نظریه اتمی ماده نشان داده است که شاره ها ( مانند آب و هوا )نیز پیوسته نیستند بلکه از اتمها ساخته شده اند. آزمایش نشان می دهد که شاره الکتریکی نیز پیوسته نیست بلکه از مضرب های درستی از یک بار الکتریکی معین و کمینه تشکیل شده است. بزر گی این مقدار بار بنیادی که آن را با e نمایش می دهند مقداریست قابل توجه! هر بار فیزیکی q را می توان بدون توجه به منشا آن به صورت ne نشان داد که در آن n یک عدد درست مثبت یا منفی است.

هر گاه یک خاصیت فیزیکی (مانند بار) به جای داشتن مقادیر پیوسته به صورت"بسته های گسسته" باشد آن خاصیت را کوانیده می گویند.کوانتش اساس فیزیک کوانتومی نوین است. وجود اتمها و ذراتی مانند الکترون و پروتون حاکی از آن است که جرم نیز کوانیده است. هر گاه سایر خواص فیزیکی نیز به طور مناسبی در مقیاس اتمی بررسی شوند کوانیده هستند که از آن میان می توان از انرژی و اندازه حرکت زاویه ای نام برد.
کوانتوم بار e آنقدر کوچک است که " دانه ای بودن" الکتریسیته در آزمایش های بزرگ مقیاس مشاهده نمی شود درست مانند آن است که نمی دانیم هوایی که تنفس می کنیم از اتمها تشکیل شده است. به عنوان مثال در یک لامپ عادی 110V . 110W در هر ثانیه شش در ده بتوان هجده بار بنیادی به لامپ وارد و از آن خارج می شود
امروزه هیچ نظریه ای وجود ندارد که کوانتومی شدن بار ( یا کوانتومی شدن جرم یعنی وجود ذرات بنیادینی مانند پروتون ها - الکترون ها- یون ها -و مانند آنها ) را پیشگویی کند. حتی با فرض کوانتومی شدن نیز نظریه کلاسیک الکترو مغناطیس و مکانیک نیو تونی نارسا هستند. زیرا رفتار بار و ماده را در مقیاس اتمی به درستی توصیف نمی کنند.
مثلا نظریه کلاسیک الکترو مغناطیس کاملا شرح می دهد که هر گاه یک آهنربای میله ای را در یک حلقه مسی وارد کنیم چه اتفاقی رخ می دهد. اما اگر خواسته باشیم خاصیت مغناطیسی میله را بر حسب اتم های تشکیل دهنده آن تو ضیح دهیم نظریه کلاسیک الکترو مغناطیس در این مورد ناتوان است. برای توضیح این موضوع به نظریه های مفصلتر فیزیک کوانتومی نیاز است.

سیکلو ترونها و سنکروترونها

سیکلو ترون که نخستین بار در سال 1932/1311 توسط ارنست لارنس در دانشگاه کالیفرنیا برکلی ساخته شد. ذرات بارداری ملنند هسته های هیدروژن (پروتون ها) و هسته های هیدروژن سنگین (دو ترونها) را تا انرژیهای بالا شتاب می دهد به طوری که بتوان از آنها در آزمایشگاههای اتم شکنی استفاده کرد.
اگرچه امروزه دیگر از این سیکلو ترونها استفاده نمی شود اما به دو دلیل آنها را اینجا مورد بحث قرار می دهیم:
1-سیکلو ترون دارای چهار چوب بسیار مناسبی بربی مطالعه اثر میدان های مغناطیسی و الکتریکی بر روی ذره باردار است.
2- سیکلو ترون راه گشای تولید نسل های متعددی از شتاب دهنده های اصلاح شده است که سنکترون و پرو تون یکی از آنهاست
وسائل اخیر امکانات باز هم بیشتری برای مطالعه بر هم کنش ذرات باردار مغناطیسی و الکتریکی فراهم کرده اند هر چند که این مسئله هدف اصلی کاربرد آنها نیست.
در یک چشمه نوری واقع در مرکز سیکلو ترون مو لکولهای دوتریم ( هیدروژن سنگین) به وسیله الکترو نهایی که انرژی آنها بیسار زیاد است بمباران می شوند به طو ری که هنگام بر خورد یون های مثبت زیادی آزاد می شوند. بیشتر این یون ها دو تریوم های آزادی هستند که به طریق خاصی از سوراخی واقع در دیوار چشمه یونی وارد سیکلا ترون و شتابدار می شوند.

در سیکلو ترون برای شتاب دادن یون از یک اختلاف پتانسیل نسبتا بزرگ استفاده می شود ولی بتید یون چندین مرتبه از این اختلاف پتانسیل عبور کند.برای انحراف و دوران یون ها از میدان مغناطیسی استفاده می شود و یون ها و بار ها از پتانسیل شتابدهنده عبور می کنند. جسمی به نامD که از ورقه های مسی ساخته شده و بخشی از یک نوسان گر الکتریکی را تشکیل می دهد در شکاف میان دی ها یک اختلاف پتانسیل شتاب دهنده بر قرار می کند. جهت این اختلاف پتانسیل در هر ثانیه چند میلیون مرتبه عوض می شود.
دی ها در یک میدان مغناطیسی که جهت آن به طرف خارج صفحه مسی است قرار می گیرد. این میدان به وسیله یک آهنربای الکتریکی بزرک تولید می شود. بالاخره فضایی که یون ها در آن حرکت می کنند در فشار بسیار ناچیزی تخلیه می شود. اگر این کار صورت نگیرد یون ها به طور پیوسته با مو لکول های هوا بر خورد می کنند.
فرض کنید دو ترونی که از چشمه یونی خارج می شود در مقابل یکی از دی ها مثلا دی منفی قرار گیرد .دو ترون به طرف این یون شتاب می گیرد و وارد آن می شود . در داخل دی دوترون به وسیله دیواره های مسی دی ها از اثر میدان الکتریکی محفوظ می شود. ولی دی ها مانع تاثیر میدان مغناطیسی نمی شوند و در نتیجه یون منحرف می شود و در یک مسیر دایره ای حرکت می دکند.

نيروى برهمكنش قوى

نيروى برهمكنش قوى كه اغلب به آن برهمكنش رنگى نيز مى گويند يكى از چهار نيروى بنيادين طبيعت است. اين نيرو بين كوارك ها كه ذرات بنيادى سازنده پروتون ها، نوترون ها و نوكلئون ها هستند عمل مى كند. ديويد گراس، ديويد پوليتزر و فرانك ويلچك خاصيتى از نيروى برهمكنش قوى را كشف كردند كه به كمك آن مى توان توضيح داد به چه علت رفتار كوارك ها تنها در انرژى هاى بسيار زياد مانند رفتار ذرات آزاد است. (در حالى كه بقيه ذرات بنيادى در انرژى هاى معمول نيز چنين رفتارى را از خود بروز مى دهند. به عبارت ديگر كوارك ها در انرژى هاى پايين هميشه در دل ذرات كه از دو يا سه كوارك ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژى هاى پايين هميشه به صورت تركيب شده با كوارك هاى ديگر ديده مى شوند.

اين تئورى از بسيارى جهات توسط آزمايش هاى مختلفى به خصوص در سال هاى اخير در آزمايشگاه سرن (CERN) بررسى شده است. اين كشفيات توانسته اند پايه اى براى تئورى برهمكنش رنگ ها (كروموديناميك كوانتومى (QCD پى ريزى نمايند.

مدل استاندارد و چهار نيروى بنيادى طبيعت

اولين نيرويى كه انسان ها با آن آشنا شدند نيروى گرانش است. اين نيرو باعث افتادن اجسام بر روى زمين و همچنين گردش سيارات به دور خورشيد و حركت ستاره ها در كهكشان است. به نظر مى رسد كه نيروى گرانش نيروى بسيار قويياى است به عنوان مثال ارسال يك موشك به خارج از جو زمين احتياج به صرف انرژى و سوخت بسيارى دارد. با اين حال در جهان ريز (ميكرو سكوپيك) در مقايسه با نيروى بين ذراتى از قبيل الكترون و پروتون نيروى گرانش نيروى بسيار ضعيفى است [شكل (1)]. سه نيروى ديگر طبيعت كه اثر آنها اغلب در حوزه جهان هاى ريز (ميكروسكوپيك) ديده مى شود عبارتند از نيرو هاى برهمكنش.

الكترو مغناطيسى بر همكنش ضعيف و برهمكنش قوى. چگونگى عملكرد اين سه نيرو توسط نظريه مدل استاندارد توضيح داده مى شود. اين نظريه، نظريه اى بسيار قوى است براى اينكه مى تواند نظريه نسبيت خاص اينشتين و مكانيك كوانتومى را يكجا دربربگيرد. (البته به خاطر مسائل و مشكلات تكنيكى هنوز نمى توان آن را نظريه اى كامل و سازگار دانست.)

مدل استاندارد مى تواند توضيحى براى كوارك ها، لپتون ها و ذراتى كه نيروها را حمل مى كنند ارائه كند. كوارك ها به عنوان نمونه سازنده ذراتى مانند پروتون ها نوترون ها هستند.

الكترون ها كه سازنده پوشش بيرونى اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تا جايى كه مى دانيم الكترون ها خود از ساختار هاى ريزترى تشكيل نشده اند.

7برهمكنش الكترومغناطيسى سازنده نور و چسبندگى مواد

برهمكنش الكترو مغناطيسى مى تواند توصيفى مشترك براى بسيارى از پديده ها كه در جهان ما را دربرگرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطكاك، مغناطيس و علت اينكه چرا جسمى بر روى ميز از درون ميز عبور نمى كند، به كمك اين نيرو قابل توضيح هستند.نيروى الكترومغناطيسى كه در اتم هيدروژن، الكترون و پروتون را به هم پيوند مى دهد به اندازه غيرقابل تصور 1041 بار از نيروى گرانشى بين آ نها قوى تر است. اندازه اين دو نيرو متناسب با مربع فاصله كاهش مى يابد با اين حال نيروى هاى بلند برد محسوب مى شوند.

هر دوى اين نيرو ها يعنى الكترو مغناطيس و گرانش توسط ذرات حامل كه به ترتيب فوتون (ذرات نور) و گراويتون هستند حمل مى شوند. برخلاف فوتون ذره گراويتون هنوز به صورت آزمايشگاهى كشف نشده است. دليل بلندبرد بودن اين دو نيرو را مى توان به كمك اين واقعيت كه ذرات حامل اين نيرو ها بدون جرم هستند توضيح داد.فيزيكدانان توانسته اند به كمك تئورى الكتروديناميك كوانتومى QED توصيف مناسبى براى برهمكنش الكترو مغناطيسى ارائه نمايند. اين تئورى يكى از موفقيت آميزترين تئورى هاى فيزيكى است كه با دقت يك در ده ميليون با نتايج آزمايشگاهى توافق دارد. توموناگا، جوليان شوينگر و ريچارد فاينمن جايزه نوبل فيزيك در سال 1965 را براى اين نظريه از آن خود كردند. يكى از دلايل موفقيت اين نظريه وجود يك ثابت كوچك به اسم ثابت كوپلاژ با مقدار 137/1 در معادلات است. وجود اين ثابت كوچك تر از يك اين امكان را فراهم مى سازد كه براى محاسبه اثر نيروى الكترو مغناطيس از بسط سرى ها در معادلات استفاده شود. اين روش رياضى كه به آن روش حل اختلالى مى گويند توسط فاينمن بسط و گسترش يافت.

يكى از خواص مهم نظريه الكترو ديناميك كوانتومى (QED) اين است كه ثابت كوپلاژ در انرژى هاى مختلف مقادير مختلفى دارد. اين مقدار با افزايش انرژى افزايش مى يابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده CERN مقدار آن به جاى 137/1 ، 128/1 در انرژى حدود 100 بيليون الكترون ولت اندازه گيرى شده است. اگر نمودار اندازه ثابت كوپلاژ نسبت به انرژى رسم شود، آن گاه اين منحنى داراى يك شيب آرام به سمت بالا خواهد بود كه فيزيكدانان اصطلاحاً مى گويند شيب منحنى يا تابع بتا مثبت است.

7برهمكنش ضعيف و واپاشى راديواكتيويته

نيروى برهمكنش ضعيف توسط ذرات بوزونى +- Wو Z0 حمل مى شود كه برخلاف فوتون و گراويتون داراى جرم هستند (حدود 100 برابر جرم پروتون!) و اين توضيحى است براى اينكه چرا اين نيرو يك نيروى كوتاه برد است. اين نيرو هم بر روى كوارك ها و هم بر روى لپتون ها اثر مى كند و علت واپاشى راديواكتيويته است. اين نيرو نسبت بسيار نزديكى با نيروى الكترو مغناطيس دارد به طورى كه فيزيكدانان توانستند هر دوى آنها را به صورت نيروى واحدى به نام برهمكنش الكترو ضعيف وحدت ببخشند (1970). جرارد هوفت و مارتينز ولتمن به خاطر فرمول بندى اين دو نيرو در يك نظريه واحد جايزه نوبل سال 1999 را از آن خود كردند.

برهمكنش قوى _ بار و رنگ

از دهه 1960 مشخص شده بود كه پروتون و نوترون از ذرات بنيادى ترى به اسم كوارك ساخته شده اند. اما نكته عجيب اين بود كه امكان ساخت ذره كوارك به صورت آزاد وجود نداشت. آنها هميشه محبوس هستند و اين خاصيتى بنيادى براى اين ذرات است.

تنها جمع كوارك ها به صورت دوتايى و سه تايى مى تواند وجود داشته باشد. بار الكتريكى كوارك ها كسرى از بار الكتريكى پروتون است به صورت يك سوم يا دو سوم بار پروتون و اين خاصيتى است عجيب كه هنوز توضيحى براى آن يافت نشده است. هر كوارك علاوه برداشتن بار الكتريكى خاصيت ويژه ديگرى نيز دارد كه مانند بار الكتريكى كميتى كوانتنيزه است و تنها مى تواند مقادير ويژه اى داشته باشد. به اين خاصيت بار رنگى گفته مى شود. كوارك ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر كوارك يك پادكوارك نيز وجود دارد مانند پوزيترون كه پاد ذره الكترون است. پادكوارك ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى يا پاد سبز هستند. جمع كوارك هايى كه در طبيعت مى توانند وجود داشته باشند بايد داراى بار رنگى خنثى باشند همانطور كه تشكيل مولكول هاى خنثى (از نظر الكتريكى) به خاطر جاذبه الكتريكى بين اجزاى مثبت و منفى آن است. نيروى بين پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نيروى بين بار هاى رنگى كوارك هاى تشكيل دهنده آنها به وجود مى آيد.نيروى بين كوارك ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. اين ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار رنگى هستند. همين خصوصيت باعث پيچيدگى توضيح اين نيرو و تفاوت آن با نيروى الكترو مغناطيس است.

براى سال ها فيزيكدانان اعتقاد داشتند كه نمى توان روشى براى محاسبه برهمكنش قوى ميان كوارك ها يافت كه شبيه روش محاسبات برهمكنش هاى الكترو مغناطيسى و ضعيف باشد. به اين دليل كه ثابت كوپلاژ براى برهمكنش قوى بزرگ تر از يك است و نمى توان روش اختلالى فاينمن (كه در بالا توضيح داده شد) را براى محاسبات اين نظريه به كار برد. متاسفانه تا به امروز نيز روش رضايت بخشى براى محاسبه برهمكنش قوى يافت نشده است.به نظر مى رسد كه شرايط در انرژى هاى بالا بدتر هم باشد البته به شرط آنكه تابع بتا براى اين تئورى مثبت باشد كه در نتيجه ثابت كوپلاژ با بالا رفتن انرژى افزايش مى يابد و محاسبات را دشوارتر مى سازد.كورت زيمانسكى فيزيكدان آلمانى دريافت كه تنها راه رسيدن به يك نظريه معقول پيدا كردن يك تابع بتا منفى براى اين نظريه است. اين رهيافت همچنين مى تواند علت آنكه گاهى اوقات كوارك ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشكار مى سازند توضيح دهد. اثرى كه در آزمايش برخورد ميان الكترون و پروتون ديده مى شود.

متاسفانه زيمانسكى خود نتوانست به اين نظريه دست يابد حتى جرارد هوفت در تابستان 1972 به اين كشف نزديك شده بود ولى فيزيكدانان ديگر نااميد شده بودند زيرا شواهد نشان مى داد كه يك نظريه واقعى بايد داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه ديگر مشخص شده است كه اين موضوعى نادرست است زيرا در ژانويه 1973 دو مقاله پى در پى در مجله فيزيكال ريويولترز توسط گراس و ويلچك و ديگرى توسط پوليتزر به چاپ رسيدند كه در كمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادير منفى داشته باشد. آنها زمانى اين كشف را انجام دادند كه كاملاً جوان بودند در اين حد كه حتى گراس و ويلچك هنوز دانشجويان تحصيلات تكميلى بودند.مطابق نظريه آنها حامل هاى نيروى برهمكنش قوى يعنى گلوئون ها داراى خاصيتى غيرمنتظره و ويژه هستند به اين صورت كه آنها نه تنها با كوارك ها بلكه خودشان نيز برهمكنش مى كنند.طبق اين خاصيت هنگامى كه كوارك ها به يكديگر نزديك مى شوند برهمكنش بار رنگى ميان آنها كاهش مى يابد. كوارك ها موقعى به يكديگر نزديك مى شوند كه انرژى آنها افزايش يافته باشد و طبق اين نظريه اندازه برهمكنش در اين هنگام كاهش مى يابد. اين خاصيت كه به آن «آزادى مجانبى» مى گويند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت ديگر برهمكنش با افزايش فاصله افزايش مى يابد كه اين مى تواند توضيحى براى اين باشد كه چرا كوارك ها هميشه در نوكلئون ها محبوس هستند. آزادى مجانبى اين امكان را فراهم مى سازد كه بتوان فاصله اى را كه در آن كوارك ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى كنند، محاسبه كرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسيار زياد با يكديگر مى توان آنها را به اندازه كافى به يكديگر نزديك كرد. هنگامى كه آزادى مجانبى كشف شد و نظريه QCD فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسيار خوبى با نتايج آزمايشگاهى از خود نشان دهند. شكل 27 آبشار ذرات حقيقت را فاش مى كند.

يكى از مهم ترين اثبات هاى نظريه QCD توسط آزمايش برخورد الكترون و پاد ذره آن يعنى پوزيترون در انرژى هاى بالا صورت مى گيرد. در اين آزمايش الكترون و پوزيترون يكديگر را نابود مى كنند و مطابق معادله اينشتين E=mc2 انرژى اين ذرات مى تواند به صورت ذرات جديدى ظاهر شود، به عنوان مثال ذرات كوارك. در اين فرآيند ذرات كوارك در فواصل بسيار نزديك به هم آفريده مى شوند و با سرعت بسيار زيادى از يكديگر دور مى شوند. امروزه مى توان اين فرآيند را به كمك مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه كرد.در حقيقت وقتى كوارك ها مى خواهند از يكديگر دور شوند تحت تاثير نيروى افزايش يابنده برهمكنش قوى قرار مى گيرند (در بخش قبل توضيح داده شد) كه اين نيرو باعث توليد زوج ذرات جديد كوارك مى شود و بدين ترتيب آبشارى (رگبارى) از ذرات در جهت كوارك و پادكوارك اوليه توليد مى شود. با اين حال اين فرآيند خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اوليه را در خود نگه مى دارد كه مى توان تاثير آن را بر احتمالات وقايعى كه در آبشار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه كرد. نتايج اين محاسبات با آزمايش ها توافق زيادى دارد.واقعه بسيار قانع كننده ديگرى كه در شتاب دهنده DESY در هامبورگ آلمان در اواخر 1970 يافت شد وجود سه آبشار در آ زمايشات بود كه اين فرآيند را مى توان در نظر گرفتن تابش گلوئون از كوارك _ پادكوارك اوليه به خوبى توضيح داد. (شكل سه)آزادى مجانبى حتى توانست پديده اى را كه قبلاً در شتاب دهنده استانفورد ديده شده بود توجيه نمايد. (فريدمن_ كندال و تيلور- جايزه نوبل 1990) اجزاى سازنده پروتون ها كه داراى بار الكتريكى هستند (كوارك ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى كنند در اين حالت اندازه حركت كوارك ها تنها نصف اندازه حركت پروتون ساخته شده از آنها است و بقيه اندازه حركت پروتون ناشى از اندازه حركت گلوئون ها است.

آيا مى توان نيروهاى طبيعت را وحدت بخشيد

به وجود آمدن امكان توصيف واحد براى نيروهاى طبيعت

QCD يكى از جالب ترين آثار آزادى مجانبى در نظريه است. هنگامى كه نمودار مقدار ثابت كوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمكنش هاى الكترومغناطيسى، ضعيف و قوى بررسى مى كنيم، اين موضوع آشكار مى شود كه اين سه نمودار يكديگر را در يك نقطه اى با انرژى بالا (به طور تقريبى نه به صورت دقيق) قطع مى كنند و در اين نقطه مقدار يكسانى دارند. بدين ترتيب مى توان ديد كه اين سه نيرو با همديگر يكى شده اند و اين يكى از روياهاى قديمى فيزيكدانان است كه دوست دارند قوانين طبيعت را به ساده ترين زبان ممكن توضيح دهند.با اين حال براى آنكه روياى وحدت نيروها به واقعيت بپيوندد بايد اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. يك راه ممكن در نظر گرفتن ذرات جديدى به اسم ذرات ابرتقارن است كه اگر جرمشان به اندازه كافى كم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت LHC در CERN بررسى كرد.اگر ابرتقارن كشف شود مى تواند پشتوانه قويى براى نظريه ابرريسمان ها باشد كه آن نيز شايد بتواند نيروى گرانش را با بقيه نيروها وحدت ببخشد. صرف نظر از اين پيشرفت ها كشف آزادى مجانبى در QCD تغييرات عميقى را در فهم ما از نيروهاى بنيادين طبيعت به وجود آورده است.

به نقل از سي پي اچ تئوري

آشكارسازي ذرات

آشكارسازي ذرات عبارتست از فرآيندي كه در آن خصوصياتي مانند جرم ، انرژي ، بار الكتريكي ، مسير حركت و ... و در مجموع نوع يك ذره حامل انرژي كه در واكنش‌هاي هسته‌اي بوجود مي‌آيد، توسط دستگاهي (اغلب آشكارساز) تعيين مي‌شود.

ديد كلي

فرآيند آشكارسازي متشكل از يك دستگاه آشكارساز است كه بسته به نوع ذره تابشي و آشكارسازي خصيصه‌اي از ذره ، نوع دستگاه فرق مي‌كند. سهم عمده در آشكارسازي ذره توسط ماده‌اي متناسب با ذره تابشي در دستگاه آشكارساز انجام مي‌شود كه عبارت است از برهمكنش ذره باردار حامل انرژي با الكترونهاي مداري ماده آشكارسازي كه اين برهمكنش توسط مدارهاي الكترونيكي آشكارساز ، به يك پالس الكتريكي تبديل مي‌شود. عوامل موثر بر آشكارسازي ذرات در اين مقوله مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

ذرات تابشي

واپاشي هسته‌اي يك فرآيند خودبخودي است، يعني سيستم بطور خودبه‌خودي ، از حالتي به حالتي ديگر تغيير مي‌كند. پايستگي انرژي ايجاب مي‌كند كه انرژي حالت نهايي پايين‌تر از حالت اوليه باشد. اين اختلاف انرژي به طريقي به خارج سيستم فرستاده مي‌شود. در تمام اين موارد ، اين امر با گسيل ذرات حامل انرژي بدست مي‌آيد كه اين ذرات يك يا تركيبي از گسيل الكترومغناطيسي ، گسيل بتا و گسيل نوكلئون است كه كلا مي‌توان ذرات تابشي را به دو بخش ، ذرات تابشي باردار حامل انرژي و ذرات بي‌بار حامل انرژي ، تقسيم‌بندي كرد.

ذرات تابشي باردار حامل انرژي

بار الكتريكي ذرات باردار حامل انرژي سهم مهمي در آشكارسازي ذره دارد. وقتي ذره تابشي از كنار اتمها عبور مي‌كند، به علت باردار بودن ، بر الكترونهاي مداري نيروي الكتريكي وارد مي‌كند. در اين برهم‌كنش انرژي مبادله مي‌شود كه باعث كند شدن حركت ذره تابشي و كنده شدن الكترونها از مدارشان مي‌شود. اين الكترونهاي جدا شده از مدار اساس بسياري از روشهاي آشكارسازي ذرات تابشي و اندازه گيري جرم ، بار ، انرژي و ... آنها است.

روش‌هاي كلي آشكار كردن ذرات باردار حامل انرژي

سه روش اساسي براي آشكار كردن ذرات باردار تابشي با استفاده از يونش وجود دارد :

يونش را مي‌توان قابل روئيت كرد، بطوري كه رد ذرات را بتوان ديد و يا عكسبرداري كرد.

وقتي كه زوج الكترون _ يون دوباره تركيب مي‌شوند، نور گسيل شده را با يك دستگاه حساس به نور مي‌توان آشكارسازي كرد.

با استفاده از يك ميدان الكتريكي مي‌توان الكترونها و يونها را جمع‌آوري كرد و از اين طريق يك علامت الكتريكي توليد كرد.

ذرات تابشي بي‌بار حامل انرژي

در آشكارسازي ذرات باردار حامل انرژي ، بار ذره عامل مهمي در آشكارسازي ذره بود ولي نوترونها و فوتونها (در ناحيه پرتوهاي ايكس و گاما) فاقد بار هستند، لذا روش‌هايي كه براي آشكارسازي آنها بكار رفته، كمتر از ذرات باردار است. احتمال برهمكنش نوترونها يا پرتوهاي ايكس و گاما با اتم يا هسته آن به‌صورت سطح مقطع كل بيان مي‌شود.

فوتونها (در ناحيه پرتوهاي ايكس و گاما)

پرتوهاي ايكس و گاما با الكترونهاي مداري ماده از طريق سه برهمكنش شناخته شده ، يعني اثر فوتوالكتريك ، پراكندگي كامپتون و توليد زوج الكترون _ پوزيترون برهمكنش مي‌كنند. براي پرتوهاي ايكس و گاما سطح مقطع كل با مجموع سطح مقطع‌هاي سه برهمكنش اساسي ياد شده در بالا برابر است.

نوترونها

نوترونها مي‌توانند پراكنده شوند و يا واكنشهاي هسته‌اي ايجاد كنند كه بسياري از اين واكنشها منجر به گسيل ذرات باردار حامل انرژي مي‌شود. تمام روشهاي آشكارسازي نوترونها در نهايت به آشكارسازي ذرات باردار منجر مي‌شود كه بعد از تابش نوترون به يك ماده خاص ذره باردار تابش مي‌شود. براي نوترون سطح مقطع كل با مجموع سطح مقطع‌هاي واكنش و پراكندگي برابر مي‌باشد.

اصول كار دستگاههاي آشكارساز

اصول كار اغلب دستگاههاي آشكارساز مشابه است. تابش وارد آشكارساز مي‌شود، با اتمهاي ماده آشكارساز برهمكنش مي‌كند (اثر تابش بر ماده) و ذره ورودي بخشي از انرژي خود را صرف جداسازي الكترونهاي كم‌انرژي ماده آشكارساز از مدارهاي اتمي خود مي‌كند. اين الكترونها و يونش ايجاد شده جمع‌آوري مي‌شود و توسط يك مدار الكترونيكي براي تحليل به صورت يك تپ ولتاژ يا جريان در مي‌آيد.

خصوصيات مواد آشكارساز بكار رفته در آشكارسازها

ماده مناسب براي آشكارسازي هر ذره بستگي به نوع ذره تابشي دارد.

براي تعيين انرژي تابشي بايستي تعداد الكترونهاي آزاد شده از ماده زياد باشد.

براي تعيين زمان گسيل تابش بايد ماده‌اي را انتخاب كنيم كه در آن الكترونها به سرعت تبديل به تپ شوند.

براي تعيين نوع ذره بايد ماده‌اي انتخاب شود كه جرم و بار ذره اثر مشخصي بر روي ماده داشته باشد.

اگر بخواهيم مسير ذره تابشي را دنبال كنيم، بايد ماده آشكارساز نسبت به محل ورود ذره تابشي حساس باشد.

انواع آشكارسازها

اتاقك ابر

اتاقك ابر متشكل از محفظه‌اي از هوا و بخار آب به حالت اشباع است. در اطراف يونهاي تشكيل شده از تابش ذرات باردار حامل انرژي ، قطره‌هاي آب تشكيل مي‌شود كه با نوردهي مناسب مي‌توان مسير حركت ذره را ديد يا عكسبرداي كرد.

اتاقك حبابي

اتاقك حباب متشكل از محفظه‌اي از مايع فوق گرم است. در اتاقك حباب وقتي به طرز ناگهاني از فشار كاسته مي‌شود، مايع شروع به جوشيدن مي‌كند. حبابها بر روي يونهايي كه در مسير ذرات باردار تابشي پرانرژي قرار دارند، تشكيل مي‌شوند كه مي‌توان آنها را روئيت كرد يا از آنها عكسبرداري كرد.

اتاقك جرقه‌اي

اتاقك جرقه متشكل از دو صفحه يا دو سيم موازي است كه ولتاژ قوي ميان هر جفت از صفحه‌ها برقرار است. در مواقعي كه جرقه‌هاي قوي بين دو صفحه زده مي‌شود كه به احتمال قوي جرقه‌ها در همان مسير حركت ذره باردار حامل انرژي است كه در گاز مربوطه يونش ايجاد كرده است كه مي‌توان آن را ديد يا عكسبرداري كرد.

امولسيون عكاسي

در مسير ذرات تابشي باردار حامل انرژي دانه‌هاي هالوژنه نقره تشكيل مي‌شود كه مي‌توان آن را پس از ظهور فيلم عكاسي روئيت كرد.

آشكارساز سوسوزن (سينتيلاسيون)

در يك بلور جسم جامد ، برهمكنش ذره باردار پرانرژي با الكترونهاي مداري باعث كنده شدن آنها مي‌شود. الكترون كنده شده وقتي در تهيجا (مدار الكتروني فاقد الكترون) مي‌افتد، نور گسيل مي‌كند. اگر بلور به اين نور شفاف باشد، عبور ذره باردار حامل انرژي با سينتيلاسيون يا سوسوزني نور گسيل شده از بلور علامت داده مي‌شود كه اين علامت نوري توسط اثر فتوالكتريك به يك تپ الكتريكي تبديل مي‌شود.

آشكارساز گازي

در آشكارساز گازي ذره باردار حامل انرژي در گاز پر شده ميان دو الكترود فلزي توليد زوج الكترون _ يون مي‌كند. ميدان الكتريكي از برقراري ولتاژ حاصل مي‌شود كه اين ميدان باعث شتاب الكترونها و يون‌ها به ترتيب به طرف الكترود مثبت و منفي مي‌شود. چون در مسير حركت با اتمهاي ديگر برخورد مي‌كنند، حركت آنها حركت سوقي است.

آشكارسازهاي حالت جامد يا نيم رسانا

اين نوع آشكارسازها از يك اتصال p - n ميان سيليسيم يا ژرمانيم نوع P و نوع n تشكيل يافته است. وقتي ولتاژي در خلاف جهت رسانش ديود اعمال مي‌شود، ناحيه‌اي تهي از حاملهاي بار در پيوندگاه بوجود مي‌آيد. هنگامي كه ذره باردار حامل انرژي در طول ناحيه تهي حركت مي‌كند، در نتيجه برهمكنش آن با الكترونهاي داخل بلور مسير با زوجهاي الكترون _ حفره معين مي‌شود. الكترونها و حفره‌ها جمع مي‌شوند و تپي الكتريكي در شمارشگر بوجود مي‌آيد.

طيف‌سنج‌هاي مغناطيسي

در طيف‌سنج‌هاي مغناطيسي از ميدان مغناطيسي يكنواخت استفاده مي‌كنند. اگر از يك منبع چند تابش مختلف داشته باشيم، وقتي ذرات باردار حامل انرژي تابشي وارد ميدان مغناطيسي يكنواخت مي‌شوند، مسيرهاي دايره‌اي متفاوت مي‌گيرند. از برخورد اين مسيرهاي دايره‌اي متفاوت با وسيله ثابتي مثلا فيلم عكاسي به تعداد ذرات باردار تابشي ، تصوير تشكيل مي‌شود.

آشكارساز تلسكوپي

آشكارسازي تلسكوپي متشكل از دو يا چند شمازشگر است كه در آن تابش به ترتيب از شمارشگرها عبور مي‌كند. شمارشگرهاي اوليه نازك هستند، بطوري كه ذره نسبتي از انرژي خود را به آنها مي‌دهد، ولي در آخرين شمارشگر بطور كامل انرژي ذره جذب مي‌شود. اين شمارشگر بيشتر براي زمان‌سنجي استفاده مي‌شوند.

شمارشگر تناسبي چندسيمي

اين شمارشگر به عنوان آشكارسازي كه نسبت به محل برهمكنش ذره حساس است، استفاده مي‌شود.

قطب سنج ها

اغلب براي اندازه گيري قطبيدگي تابش استفاده مي‌شود.

در جستجوي زمان موهومي

پس از سال 1985 كم كم مشخص د كه تئورى تار (ريسمان) تصوير كاملى نيست. اول آن كه مشخص شد كه تارها فقط يك عضو از دسته وسيعى از موضوعاتى هستند كه مى توان آنها را به بيش از يك بعد گسترش داد. پال تونسند كه همانند من يكى از اعضاى بخش رياضى كاربردى و فيزيك نظرى در كمبريج است و بسيارى از پژوهش هاى بنيادى اين حوزه را انجام داده است، نام پ-برين را براى آنها برگزيده است. هرپ-برين در جهت داراى طول است. بنابراين يك برين با تار است و برين با يك سطح يا غشا و به همين ترتيب تا آخر. به نظر مى رسد كه هيچ دليلى وجود ندارد كه تار هاى با را بر ساير مقدار هاى ممكن ترجيح دهيم. در عوض بايد اصل موكراسى را بپذيريم: تمام تارها به طور برابر ايجاد شده اند.

تمام تارها را مى توان به عنوان راه حل هايى براى معادلات نظريه هاى ابرگرانش در 10 يا 11 بعد در نظر گرفت. هر چند كه ابعاد 10 گانه يا 11 گانه با فضا زمانى كه درك مى كنيم، چندان شباهتى ندارد؛ اما در توجيه اين نكته گفته مى شود كه 6 يا 7 بعد ديگر چنان پيچ خورده و كوچك شده اند كه متوجه وجود آنها نمى شويم و فقط ? بعد باقيمانده را كه بزرگ و تقريباً مسطح هستند، درك مى كنيم.

لازم است يادآور شوم كه شخصاً از پذيرفتن ابعاد بالاتر چندان خرسند نبوده ام. اما از آنجا كه اثبات گرا هستم، پرسش «آيا ابعاد بالاتر واقعاً وجود دارند؟» بى معنى است. فقط مى توان پرسيد آيا مدل هاى رياضياتى با ابعاد بالاتر توصيف مناسبى از جهان ارائه مى دهد يا خير. ما تاكنون مشاهداتى نداشتيم كه براى تفسير آنها به وجود ابعاد بالاتر نيازى باشد. با اين همه اين احتمال وجود دارد كه اين ابعاد را در برخورد دهنده بزرگ هادرون كه در ژنو قرار دارد، مشاهده كنيم. اما آنچه كه بسيارى از افراد و از جمله مرا متقاعد ساخته است كه مدل هاى با ابعاد بالاتر را جدى تلقى كنند، آن است كه شبكه اى از ارتباط هاى غيرمنتظره كه دوگانگى ناميده مى شود، در اين مدل ها وجود دارد. اين دوگانگى ها نشان مى دهد كه مدل ها اصولاً معادل يكديگرند، به عبارت ديگر اين مدل ها جنبه هاى مختلف يك نظريه بنيادى هستند، كه نظريه ام-تئوري نام گرفته است.

اگر وجود اين شبكه از دو گانگى ها را نشانه اى از حركت در مسير صحيح ندانيم، تقريباً مثل آن است كه فكر كنيم خداوند فسيل ها را در صخره ها قرار داده است تا داروين در مورد تكامل حيات گمراه شود. اين دوگانگى ها نشان مى دهد كه 5 نظريه ابرتار مبانى فيزيكى يكسانى را بيان مى كند و از لحاظ فيزيكى معادل ابرگرانش است. نمى توان گفت كه ابر تارها بنيادى تر از گرانش است يا برعكس، ابر گرانش بنيادى تر از ابرتار. بلكه اين نظريه ها بيان هاى متفاوتى از يك نظريه بنيادى است كه هركدام از آنها براى محاسبه در موقعيت هاى مختلف مفيد واقع مى شوند. نظريه هاى تار براى محاسبه حوادثى كه هنگام برخورد چند ذره با انرژى بالا و تفرق آنها روى مى دهد، مناسب است زيرا فاقد بى نهايت ها است. با اين همه اين نظريه براى توصيف چگونگى تابدار شدن جهان به وسيله انرژى تعداد زيادى ذره يا تشكيل حالت محدود مثل سياهچاله فايده چندانى ندارد. براى چنين وضعيت هايى به ابر گرانش نياز است كه اصولاً از نظريه فضا زمان خميده اينشتين همراه با بعضى موضوع هاى ديگر تشكيل شده است. اين تصويرى از عمده مطالبى است كه پس از اين در مورد آنها صحبت خواهم كرد.

مناسب است براى تشريح اينكه چگونه تئورى كوآنتوم به زمان و فضا شكل مى دهد، ايده زمان موهومى را بيان كنيم. شايد به نظر برسد زمان موهومى برگرفته از داستان هاى علمى تخيلى باشد، اما زمان موهومى در رياضيات مفهومى كاملاً تعريف شده است: زمان موهومى زمانى است كه با اعداد موهومى سنجش مى شود. مى توان اعداد حقيقى معمولى همانند 1، 2، 5/3- و غيره را به صورت مكانشان روى خطى كه از چپ به راست امتداد دارد در نظر گرفت: صفر در وسط خط، اعداد حقيقى مثبت در سمت راست و اعداد منفى حقيقى در سمت چپ قرار دارند.

اعداد موهومى را مى توان به صورت مكانشان روى خط عمود در نظر گرفت: صفر باز هم در وسط خط قرار دارد، اعداد موهومى مثبت رو به بالا و اعداد موهومى منفى رو به پايين ترسيم مى شود. بنابراين اعداد موهومى را مى توان به صورت نوع جديدى از اعداد، عمود بر اعداد حقيقى معمولى در نظر گرفت. از آنجايى كه اين اعداد ساختارى رياضياتى هستند لازم نيست كه به طور فيزيكى تحقق يابند، هيچكس نمى تواند به تعداد عدد موهومى پرتقال داشته باشد يا صاحب يك كارت اعتبارى با صورت حساب اعداد موهومى باشد.

ممكن است كسى فكر كند كه اين گفته ها به اين معنى است كه اعداد موهومى فقط يك بازى رياضى است كه با دنياى واقعى كارى ندارد. با اين همه از ديدگاه فلسفه اثبات گرا نمى توان تعيين كرد كه چه چيزى واقعى است. تنها كارى كه مى توانيم انجام دهيم اين است كه دريابيم كدام مدل هاى رياضى جهانى را كه در آن زندگى مى كنيم، توصيف مى كند. معلوم مى شود كه مدل رياضياتى شامل زمان موهومى نه تنها آثارى را كه پيش از اين مشاهده كرديم، پيش گويى مى كند، بلكه آثارى را پيش گويى مى كند كه تاكنون نتوانسته ايم اندازه گيرى كنيم، ولى به دلايل ديگر، آنها را باور داشتيم. پس چه چيز واقعى و چه چيز موهومى است؟ آيا اين دو فقط در ذهن ما متمايز از يكديگرند؟

نظريه نسبيت عام كلاسيك (يعنى غير كوآنتومى) اينشتين زمان واقعى را با سه بعد ديگر فضا ادغام مى كند تا فضا زمان چهار بعدى را به وجود آورد.اما جهت زمان واقعى با سه جهت ديگر زمان تفاوت داشت؛ خط جهانى يا تاريخ يك ناظر در زمان واقعى هميشه افزايش مى يابد (به عبارت ديگر زمان هميشه از گذشته به سوى آينده حركت مى كند.) ولى سه بعد ديگر فضا هم مى توانند كاهش يابند و هم افزايش به عبارت ديگر مى توان در فضا تغيير جهت داد اما نمى توان در خلاف جهت زمان حركت كرد.

از طرف ديگر، از آنجايى كه زمان موهومى عمود بر زمان واقعى است، همانند جهت فضايى چهارم رفتار مى كند و بنابراين زمان موهومى مى تواند شامل احتمال هايى بيش از مسير راه آهن زمان واقعى باشد كه داراى آغاز و پايان است يا روى يك مسير بسته حركت مى كند. با توجه به اين مفهوم موهومى است كه مى گوييم زمان داراى شكل است.

S.Hawking (2001) the Universe In A Nutsheli, Bantam Press

منبع :www.sharghnewspaper.com

نانو تکنو لوژی به زبان ساده

در نيم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوري عمده بوديم، كه باعث پيشرفت هاي عظيم اقتصادي در كشورهاي سرمايه گذار و ايجاد فاصله شديد بين كشورهاي جهان شد. متأسفانه در كشور ما بدليل فقدان جرات علمي و عدم تصميم گيري بموقع ، به اين فرصتها پس از گذشت ساليان طلائي آن بها داده مي شد كه البته سودي هم براي ما به ارمغان نمي آورد، همچون فنآوري الكترونيك و كامپيوتر در دو سه دهه گذشته كه امروزه عليرغم توانائي دانشگاهي و داشتن تجهيزات آن، هيچگونه حضور تجاري در بازارهاي چند صد ميلياردي آن نداريم. فناوري نانو جديدترين اين فرصتها ست، كه كشور ما بايد براي حضور يا عدم حضور درآن خيلي سريع تصميم خود را اتخاذ كند.

علم و فناوري نانو ( نانو علم و نانو تكنولوژي) توانائي بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانومتري (ملكولي) و بهره برداري از خواص و پديده هاي اين بعد در مواد، ابزارها و سيستم هاي نوين است. اين تعريف ساده خود دربرگيرنده معاني زيادي است. به عنوان مثال فناوري نانو با طبيعت فرا رشته اي خود، در آينده در برگيرنده همه ي فناوريهاي امروزين خواهد بود و به جاي رقابت با فن آوري هاي موجود، مسير رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « يك حرف از علم» يكپارچه خواهد كرد.

ميليونها سال است كه در طبيعت ساختارهاي بسيار پيچيده با ظرافت نانومتري ( ملكولي ) - مثل يك درخت يا يك ميكروب - ساخته مي شود. علم بشري اينك در آستانه چنگ اندازي به اين عرصه است، تا ساختارهائي بي نظير بسازد كه در طبيعت نيز يافت نمي شوند. فناوري نانو كاربردهاي را به منصه ظهور مي رساند كه بشر از انجام آن به كلي عاجز بوده است و پيامدهائي را در جامعه برجا مي گذارد كه بشر تصور آنها را هم نكرده است. به عنوان مثال:

o ساخت مواد بسيار سبك و محكم براي مصارف مرسوم يا نو

o ورشكستگي صنايع قديمي همچون فولاد با ورود تجاري مواد نو

o كاهش يافتن شديد تقاضا براي سوخت هاي فسيلي

o همه گير شدن ابر كامپيوترهاي بسيار قوي، كوچك و كم مصرف

o سلاحهاي سبك تر، كوچكتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئي تر براي رادار

o شناسائي فوري كليه خصوصيات ژنتيكي و اخلاقي و استعدادهاي ابتلا به بيماري

o ارسال دقيق دارو به آدرس هاي مورد نظر در بدن و افزايش طول عمر

o از بين بردن كامل عوامل خطرناك جنگ شيميائي و ميكروبي

o از بين بردن كامل ناچيز ترين آلاينده هاي شهري و صنعتي

o سطوح و لباسهاي هميشه تميز و هوشمند

o توليد انبوه مواد و ابزارهائي كه تا قبل از اين عملي و اقتصادي نبوده اند ،

o و بسياري از موارد غير قابل پيش بيني ديگر!

دكترDrexler در همايش جهاني نظام علمي در زمينه نانوتكنولوژي اظهار كرده است: "در جهان اطلاعات ، تكنولوژيهاي ديجيتالي كپي‌برداري را سريع، ارزان، كامل و عاري از هزينه‌بري يا پيچيدگي محتوايي نموده‌اند. حال اگر همين وضعيت در جهان ماده اتفاق بيافتد چه مي‌شود. هزينه توليد يك تن ‌تري بيت تراشه‌هاي RAM تقريبا" معادل با هزينه بري ناشي از توليد همان مقدار فولاد مي‌شود".

دكترSmalley رئيس هيئت تحقيقاتي دانشگاه رايس و كاشف Buckyballs مي‌گويد:

" نانوتكنولوژي روند زيانبار ناشي از انقلاب صنعتي را معكوس خواهد كرد". در مقدمه مقاله نانوتكنولوژي كه توسط آقايان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنين آمده است :

" تصور كنيد قادريد با نوشيدن دارو كه در آب ميوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه كنيد . يك ابر كامپيوتر را كه به اندازه يك سلول انسان است در نظر بگيريد. يك سفينه فضايي 4 نفره كه به دور مدار زمين مي‌گردد با هزينه‌اي در حدود يك خودروي خانوادگي تجسم كنيد" .

موارد فوق، فقط تعداد محدودي از محصولات انتظار رفته از نانوتكنولوژي هستند. انسان در معرض يك انقلاب اجتماعي تسريع شده و قدرتمند است كه ناشي از علم نانوتكنولوژي است. در آينده نزديك گروهي از دانشمندان قادر به ساخت اولين آدم آهني با مقياس نانومتري مي‌گردند كه قادر به همانندسازي است. طي چند سال با توليد پنج ميليارد تريليون نانوروبات ، تقريبا" تمامي فرايندهاي صنعتي و نيروي كار كنوني از رده خارج خواهند شد. كالاهاي مصرفي به وفور يافت‌شده ، ارزان، شيك و با دوام خواهند شد. دارو يك جهش سريع و كوانتومي را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهاي فضايي و همانندسازي امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به اين دلايل و دلائلي ديگر، سبكهاي زندگي روزمره در جهان بطور زيربنايي متحول خواهد شد و الگوي رفتاري انسانها تحت‌الشعاع اين روند قرار خواهد گرفت.

سه فناوري تسخيركننده

از طرفي شايد بتوان گفت تسخيركنندگان علم و فناوري آينده در سه گروه فناوري اطلاعات، نانوفناوري و زيست فناوري خلاصه مي شوند.

قرارگيري مقادير و حجم زيادي از اطلاعات در فضائي كوچك از ابعاد هم گرائي نانوفناوري و فناوري اطلاعات مي باشد از طرفي در زيست فناوري و يا به عبارتي براي زيست شناسان قرار گيري حجم زيادي از اطلاعات در يك فضاي بسيار كوچك موضوعي بسيار آشنا مي باشد.

در كوچكترين سلول انساني همه اطلاعات مربوط به يك موجود زنده از قبيل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتي در قسمت بسيار كوچكي از سلول به نام DNA كه شامل حدوداً پنجاه اتم مي باشد همه اين اطلاعات ذخيره مي گردد ( نه تنها سطح يا به عبارتي تعداد اتم ها بلكه نحوه قرار گرفتن اين زنجيره ها در ذخيره سازي اطلاعات زيستي اهميت دارد). شايد يكي از علل هم گرائي اين فناوري و فناوري اطلاعات وجود همين مسائل مشترك اين سه فناوري است.

ابزارهاي جديد براي كارهاي ظريف

اگر شما از دانشمندان علوم سطح بپرسيد كه چه پيشرفتهاي عمده دستگاهي باعث شده‌اند تا نانوتكنولوژي در خطوط مقدم تحقيقات علوم فيزيكي قرار گيرد، تقريبا" همه آنها به داستان ميكروسكوپ پروب اسكن‌كننده SPM (Scanning probe microscope SPM: در SPM يك پروب نانوسكوپي در ارتفاع ثابتي بر بالاي بستري از اتم‌ها حفظ مي‌شود. اين فاصله مي‌تواند آن‌قدر كم باشد كه الكترون‌هاي اتم‌هاي تيرك و سطح با هم تعامل داشته باشند. اين تعاملات مي‌تواند آن‌قدر قوي باشد، كه اتم‌ها از جا كنده شده و به جاي ديگري بروند.)

اشاره مي‌كنند. عليرغم تازه واردگي به عرصه تحليل دستگاهي، استفاده از ميكروسكوپي تونل‌زني اسكن‌كننده STM (Scanning tunneling microscope STM : وسيله‌اي براي تهيه تصوير از اتمهاي روي سطوح مواد، كه نقش مهمي در درك توپوگرافي و خواص الكتريكي مواد و رفتار قطعات ميكروالكترونيكي دارند. STM بر خلاف يك ميكروسكوپ نوري، براي تهيه تصوير نيروهاي الكتريكي را با يك پروب نازك‌شده به حد تيزي يك اتم آشكار مي‌كند. پروب سطح را جاروب كرده، بي‌نظمي‌هاي الكتريكي حاصل از پوسته‌هاي الكتروني يا ابرالكتروني پيرامون اتم‌ها را به كمك يك كامپيوتر به تصوير مبدل مي‌كند. به دليل يك اثر مكانيك كوانتومي موسوم به «تونل‌زني»، الكترون‌ها مي‌توانند به سادگي از تيرك به سطح و بالعكس بجهند. درجه وضوح تصاوير در حدود nm1 يا كمتر است. از STM مي‌توان براي جابجايي تك به تك اتم‌ها و تهيه نقشه‌هاي پروضوح از سطوح مادي استفاده كرد.) ، ميكروسكوپي نيروي اتمي (AFM) و ديگر تكنيكهاي مشتق‌شده از اين دو مورد اصلي در بسياري از آزمايشگاهها ، به دليل حجم زياد اطلاعاتي كه از مقياس نانومتر به دست مي دهند، متداول و حتي گريزناپذير شده است. ريچارد فينمن طي يك سخنراني در همايش جامعه فيزيك آمريكا در 1959 در مؤسسه تكنولوژي كاليفرنيا كه بعد در آنجا استاد فيزيك شد ايده‌هايي بنيادي در زمينه كوچك‌سازي نوشتجات، مدارها و ماشين‌ها ايراد كرد : " آنچه من مي‌خواهم به شما بگويم، مسئله دستكاري و كنترل اشياء در مقياس كوچك است. ترديدي وجود ندارد كه در نوك يك سوزن آنقدر جا هست كه بتوان تمام دايره‌‌المعارف بريتانيكا را جا داد." فينمن براي به تفكر واداشتن محققين و تاكيد نمودن بر عقيده‌اش مبني بر امكان فيزيكي چنين معجزه‌اي ، جايزه‌هايي 1000 دلاري براي اولين افرادي كه به اهداف مشخص شده اي در كوچك‌سازي كتابها و موتورهاي الكتريكي دست يابند تعيين كرد. فينمن تاكيد كرد : " من در حال خلق ضد جاذبه نيستم كه به فرض روزي اگر قوانين (فيزيك) آنچه ما مي‌پنداريم، نبودند عملي شود. من صحبت از چيزي مي‌كنم اگر قوانين آنچه ما مي‌پنداريم باشند، عملي خواهد بود. ما به آن دست پيدا نكرده‌ايم چون خيلي ساده هنوز درصدد انجام آن نبوده‌ايم."

وضعيت جهاني

از فناوري نانو به عنوان "رنسانس فناوري" و" روان كننده جريان سرمايه گذاري " ياد مي شود.ورود محصولات متكي بر اين فناوري جهشي بس عظيم در رفاه و كيفيت زندگي و توانائي هاي دفاعي و زيست محيطي به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائي هاي بزرگ اقتصادي خواهد شد . هم اكنون بخش هاي دولتي و خصوصي كشورهاي مختلف جهان شامل ژاپن ، آمريكا، اتحاديه اروپا، چين، هند، تايوان، كره جنوبي، استراليا، اسرائيل و روسيه در رقابتي تنگاتنگ بر سر كسب پيشتازي جهاني در لااقل يك حوزه از اين فناوري به سر ميبرند . هم اكنون روي هم رفته حدود 30 كشور دنيا در زمينه فناوري نانو داراي "برنامه ملي" يا درحال تدوين آن هستند، وطي پنچ سال گذشته بودجه تحقيق و توسعه در امر فناوري نانو را به 5/3 برابر افزايش داده اند. كشورهاي ژاپن و آمريكا نيز فناوري نانو را اولين اولويت كشور خود در زمينه فناوري اعلام كرده اند .

و امّا بطور كلي و خلاصه اينكه:

o نانوتكنولوژي چست؟

o نانوتكنولوژي مطالعه ذرات در مقياس اتمي براي كنترل آنهاست. هدف اصلي اكثر تحقيقات نانوتكنولوژي شكل‌دهي تركيبات جديد يا ايجاد تغييراتي در مواد موجود است. نانوتكنولوژي در الكترونيك، زيست‌شناسي، ژنتيك، هوانوردي و حتي در مطالعات انرژي بكار برده ميشود.

o چرا " Nano"؟

o nano كلمه‌اي يوناني به معني كوچك است و براي تعيين مقدار يك ميليارديم يا 9- 10 يك كميت استفاده مي‌شود. چون يك اتم تقريباً" 10 نانومتر است، اين اصلاح براي مطالعه عمومي روي ذرات اتمي و مولكولي بكاربرده ميشود.

o تفاوت بين نانوعلم و نانوتكنولوژي چيست؟

o نانو علم صرفا" تحقيق است ولي نانوتكنولوژي كاربرد تحقيقات براي حل مسائل و ساخت مواد جديد است.

o نانوتكنولوژي از كجا آمده است؟

o براي اولين بار ريچارد فينمن برنده جايزه نوبل فيزيك پتانسيل نانوعلم را در يك سخنراني تكان‌دهنده با نام " درپايين اتاقهاي زيادي وجود دارد"، مطرح كرد . فينمن اصرار داشت، كه دانشمندان ساخت وسائلي را،كه براي كار در مقياس اتمي لازم است، شروع كنند. اين موضوع مسكوت ماند، تا اينكه اريك دركسلر (دانشجوي تحصيلات تكميليMIT) نداي فينمن را شنيد و يك قالب‌كاري براي مطالعه "وسايلي كه توانايي حركت دادن اشياء مولكولي و مكان آنها را با دقت اتمي دارند" ايجاد كرد، كه در سپتامبر 1981 در مقاله‌اي با نام " پروتئين راهي براي توليدانبوه مولكولي ايجاد ميكند" آن را ارائه داد. دركسلر آن را با كتابي بنام " موتورهاي خلقت" دنبال كرد و توسعه مفهوم نانوتكنولوژي را همانند يك كوشش علمي ادامه داد. اولين نشانه هاي ثبت‌شده از اين مفهوم نانوتكنولوژي تغيير مكان دادن اشيا مولكولي، در سال 1989 بود، موقعي كه دانشمندي در مركز تحقيقات آلمادنIBM اتمهاي منفردگزنون را روي صفحه نيكل حركت داد، تا نام IBM را روي سطح نيكل نقش كند.

o آيا نانوتكنولوژي خيالي‌تر از علم است؟

o از موقعي كه اولين مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتكنولوژي همانند چوبدست سحرآميزي براي ساخت كودكان طراح تا ماشينهاي توليد اكسيژن براي استعمار كره مريخ، تصور مي‌شد. هيجانات از واقعيات جلوتر بود، اما پيشرفت واقعي با مسائلي پيش‌پا افتاده شروع شد.چند سال پيش محققين در دانشگاههاي كاليفرنيا، رايس وMIT موفق به ساخت نانوذراتي شدند، كه به دانشمندان كمك مي‌كردند. تعدادي از اساتيد اين دانشگاهها شركتهايي تأسيس كردند، كه وسايل موردنياز براي تحقيقات مقياس نانو را مي‌ساختند. اكنون آنها به شدت دنبال حفاظت كارهايشان از طريق ثبت اختراع هستند، تا زمينه توليد فرايندهايشان را فراهم كنند. كاربردهاي علمي نانوعلم هنوز كم است. اما مقداري از توليدات اوليه اكنون وارد بازار مي‌شوند.

o كارهاي علمي انجام‌شده بوسيله نانوتكنولوژي چيست؟

o بيشترين كار علمي روي ايجاد تغييراتي در مواد شيميايي يا نقشه‌برداري از تركيبات زيستي، مانند DNA و سلولهاي سرطاني است. بعضي ازاولين محصولات تجاري، بهبود توليدات شيميايي كنوني يا روشهاي پزشكي است.
منبع :www.sharghian.com