الترانزستور
تمكّنت مختبرات شركة بل للهاتف، في ميوري هيلز في نيو جرزي بالولايات المتحدة، وبقيادة العالم وليم برادفورد شوكلي (1910 ـ ) بمفاجأة دنيا الإلكترونات بصمام ثلاثي الاقطاب يعتمد كلياً على المواد الصلبة، كتب له أن يقضي مع الزمن على سيطرة الصمامات الإلكترونية الخوائية.
نتيجة لهذا العمل، تتمتّع جميع اجزاء العالم اليوم بامكانية استعمال اجهزة راديو تعمل بالبطارية، نقالة وصغيرة الحجم وقليلة الكلفة.
الغرض منه تقويم وتكبير التيار المتردد.
تركيبه:
يتركب من ثلاث مناطق:
أ ـ الباعث وهو المنطقة التي القاعدة بحاملات الشحنة (ثقوب موجبة أو إلكترونات حرة) .
ب ـ القاعدة وهي المنطقة التي تقع بين الباعث والمجمع وسمكها صغير جداً بالنسبة لهما كما أن درجة تركيز الشوائب بها تقل كثيراً فيهما. ونظراً لرقتها ونقص شوائبها فإنها تمرر معظم حاملات الشحنة التي تصلها من الباعث إلى المجمع، وبذلك لا يقل تيار المجمع عن تيار الباعث إلا قليلاً.
ج ـ المجمع وهو المنطقة التي تجمع حاملات الشحنة القادمة من القاعدة.
نوعا الترانزستور:
أ ـ نوع (س. م. س) .
وفيه يكون الباعث والمجمع من شبه موصل سالب النوع وتكون القاعدمن شبه موصل موجب النوع.
ب ـ نوع (م. س. م) .
وفيه يكون الباعث والمجمع من شبه موصل موجب النوع وتكون القاعدة منم شبه موصل سالب النوع.
9 ـ تصنع قاعدة الترانزستور رقيقة جداً ويوضع بها نسبة قليلة جداً من الشوائب حتى تمرّر معظم الشحنات من الباعث إلى المجمع.
10 ـ يجب أن توصل القاعدة مع الباعث توصيلاً أمامياً ويوصل المجمع مع الباعث توصيلاً عكسياً حتى تمر الشحنات من الباعث إلى القاعدة إلى المجمع
أشباه الموصلات
1 ـ تنقسم المواد من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربي إلى ثلاثة أقسام:
1 ـ مواد جيدة التوصيل: ـ مثل المعادن كالنحاس والفضة والرصاص.
(أ) يرجع جودة توصيلها للكهربية لاحتوائها على إلكترونات حرة بأعداد وفيرة.
(ب) تزداد مقاومتها بارتفاع درجة الحرارة.
2 ـ مواد عازلة مثل الزجاج والمطاط والبلاستيك، ترجع عدم توصيلها للكهرباء لعدم احتوائها على إلكترونات حرة.
3 ـ أشباه الموصلات مثل الجرمانيوم والسيليكون.
أ ـ هي مواد ليست جيدة التوصيل للكهرباء كالموصلات وليست عازلة تماماً كالعازلات ولكن قدرتها على التوصيل تحتل موقعاً متوسطاً بينهما.
ب ـ ترتبط ذراتها بعضها ببعض في البلورة بروابط تساهمية.
ج ـ تقل مقاومتها بارتفاع درجة الحرارة حيث تكون الطاقة الحرارية كافية لكسر بعض هذه الروابط وتحرير بعض الإلكترونات.
د ـ تعتمد في خواصها الكهربية على ما يضاف إليها من شوائب.
4 ـ يمكن جعل بلورة الجرمانيوم موصلة للكهرباء بطريقتين:
أ ـ رفع درجة الحرارة.
ب ـ إضافة شوائب إلى البللورة النقية.
أولاً: رفع درجة الحرارة:
أ ـ في درجات الحرارة المنخفضة تكون الإلكترونات شديدة الإرتباط بذرات الجرمانيوم ويصعب تحريرها لذا تكون البلورة رديئة التوصيل للكهربية وتكون عازلة تماماً عند درجة الصفر المطلق.
ب ـ عند رفع درجة حرارة الجرمانيوم تصبح الطاقة الحرارية كافية لكسر بعض الروابط فتحرر بعض الإلكترونات وتصبح البلورة موصلة للكهربية، أي أن أشباه الموصلات تتميز بزيادة قدرتها على التوصيل الكهربي إرتفاع درجة الحرارة.
ثانياً: إضافة شوائب إلى البللورة النقية:
تزداد درجة التوصيل الكهربي لذرات الجرمانيوم في البلورة بإضافة نسبة قليلة جداً من بعض الشوائب إليها. وهذه الشوائب على نوعين مثل شائبة من عنصر خماسي التكافؤ مثل الزرنيخ وشائبة من عنصر ثلاثي التكافؤ مثل الألومنيوم.
5 ـ يعتمد التوصيل الكهربي في الجرمانيوم النقي الساخن على حركة كل من الإلكترونات والثقوب الموجبة.
6 ـ نحصل على الجرمانيوم الموجب النوع باستخدام شائبة ثلاثية التكافؤ مثل الألومنيوم تسمى شائبة متقبلة، وتعمل على إحداث ثقوب موجبة ويتم التوصيل الكهربي في البلورة نتيجة لحركة هذه الثقوب الموجبة.
7 ـ نحصل على الجرمانيوم السالب النوع باستخدام شائبة خماسية التكافؤ مثل الزرنيخ تسمى شائبة معطية، وتعمل على تواجد إلكترونات حرة ويتم التوصيل الكهربي في البلورة نتيجة لحركة الإلكترونات الحرّة.
8 ـ مقارنة بين الجرمانيوم السالب والجرمانيوم الموجب.
الجرمانيوم السالب
الجرمانيوم الموجب
البلورة تحتوي على شائبة من عنصر خماسي التكافؤ مثل الزرنيخ
البلورة تحتوي على شائبة من عنصر ثلاثي التكافؤ مثل الألومنيوم
تعمل شائبة الزرنيخ على تواجد إلكترونات حرة في التشابك البلوري
تعمل شائبة الألومنيوم على إحداث ثقوب موجبة في التشابك البلوري
يعتمد التوصيل الكهربي فيه على الإلكترونات الحرة
يعتمد التوصيل الكهربي فيه على الثقوب الموجبة
9ـ تسمى شائبة الزرنيخ شائبة معطية لأنها تعمل على تواجد الإلكترونات الحرة. وتسمى بلورة الجرمانيوم التي تحتوي على شوائب من الزرنيخ بلورة من النوع السالب، وذلك لأن التوصيل الكهري يتم فيها عن طريق الإلكترونات. وتكون البلورة من النوع السالب متعادلة كهربياً لأن الشحنات الموجبة لذرات الزرنيخ تتعادل مع الشحنات السالبة للإلكترونات المتحررة منه.
10 ـ تسمى شائبة الألومنيوم شائبة متقبلة لأنها تعمل على إحداث ثقوب موجبة في التشابك البلوري. وتسمى بلورة الجرمانيوم التي تحتوي على شوائب من الألومنيوم بلورة من النوع الموجب وذلك لأن التوصيل الكهربي يتم فيها عن طريق الثقوب الموجبة. تكون البلورة من النوع الموجب متعادلة كهربياً لأن الشحنات الموجبة للفجوات تساوي الشحنات السالبة لذرات المادة المتقبلة (الألومنيوم) .
أشهر التحويلات الفيزيائية
أشهر الثوابت
الاستفادة من النظائر المشعة في الحياة
ـ التخلص من الشحنات الكهربية التي تنشأ على سطوح الأجسام نتيجة للاحتكاك عند تصنيعها، كما في مصانع النسيج والورق.
2 ـ تحديد سمك الأجسام كما في مصانع الورق والبلاستيك والأشرطة المعدنية.
3 ـ في الصناعات الكيميائية:
(أ) تساعد في إتمام عملية البلمرة التي يتكون فيها مركبات معقدة من مركبات بسيطة.
(ب) زيادة سرعة التفاعلات الكيميائية البطيئة.
4 ـ في الصناعات الغذائية:
(أ) تعقيم المواد الغذائية بعد تعليبها (وهي الطريقة الباردة للتعقيم) .
(ب) قتل الأطوار المعدية لبعض الديدان التي توجد في أجسام الحيوانات، مثل الطور المعدي للدودة الشريطية التي توجد في لحوم الأبقار.
(ح) قتل الحشرات وأطوارها الموجودة في الحبوب والبذور قبل تخزينها.
5 ـ في الطب:
(أ) علاج الأورام السرطانية.
(ب) علاج الغدة الدرقية.
(ح) الكشف عن مواضع الأورام الخبيثة في الجسم ومناطق ضيق الشرايين في الجسم.
(ء) تعقيم الأدوات الطبية والأدوية.
(هـ) الكشف عن الكسور في العظام.
6 ـ قياس الزمن:
يستخدم الكربون المشع ك وفترة نصف عمره (5760 سنة) في قياس الزمن لعدة آلاف من السنين، كما يستخدم اليورانيوم والثوريوم في قياس الزمن لعدة ملايين من السنين.
7 ـ تتبع المواد المشعة داخل الأجسام:
باستقبال الإشعاعات الصادرة منها بواسطة بعض الأجهزة مثل عداد جيجر أو جهاز السنتلوميتر، وتستخدم هذه الحقيقة فيما يأتي:
(أ) معرفة مواضع الكسور في الأنابيب المدفونة تحت سطح الأرض والتي تقوم بتوصيل سائل أو غاز.
(ب) معرفة مواضع الأورام الخبيثة في الجسم ومناطق ضيق الشرايين ومواضع الكسور في العظام.
(ح) في الأبحاث البيولوجية.
كيفية التعرف إلى موضع كسر في أنبوبة تنقل البترول مدفونة تحت سطح الأرض.
يضاف إلى البترول عند محطة الإرسال كمية ضئيلة من عنصر مشع ضعيف الإشعاعات وفترة نصف عمره قصيرة، ثم نتتبع سير المادة المشعة بأحد الأجهزة مثل عداد جيجر. وعندما تتسرب المادة المشعة من موضع الكسر يمكن استقبال الأشعة الصادرة منها وتحديد الموضع وإصلاحه.
الاندماج النووي
هو تفاعل يتم فيه اندماج نوى خفيفة لتكوين نوى أثقل ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى طاقة طبقاً لقانون آينشتين.
الوقود الاندماجي:
الوقود الاندماجي هو نظائر الهيدروجين وهو الديوتيريوم (يد) والتريتيوم (يد) ونظار الليثيوم (لث، لث) . ويحلظ أن الوقود الاندماجي يطلق عليه اسم الوقود الكوني لأنه موجود في النجوم.
مصادره:
1 ـ: الديوتيريوم (يد) يوجد في الماء الثقيل الذي يوجد في مياه البحار والمحيطات تكفي لإمداد البشرية بالطاقة لعدة ملايين من السنين. لذا فإن الديوتيريوم هو وقود المستقبل.
2 ـ التريتيوم (يد) وهو نادر الوجود ويحضر صناعياً بقذف الديوتيريم بالنيوترونات، وقذف البريليوم والليثيوم والبورون بالنيوترونات السريعة.
3 ـ نظائر الليثيوم توجد في الطبيعة.
الشروط اللازمة للاندماج النووي:
1 ـ رفع درجة حرارة الذرات إلى ملايين الدرجات المئوية لتتحول إلى حالة البلازما، وهي الحالة التي تظهر فيها النوى سابحة في وسط من الإلكترونات.
2 ـ استخدام ضغط كبير جداً يصل إلى مليارات الضغوط الجوية لتتغلب النوى على قوة التنافر بينها فتقترب النوى بعضها من بعض حتى يدخل كل منها في منطقة جذب الآخر فيحدث الاندماج النووي.
الانشطار النووي
الانشطار النووي هو تفاعل يتم فيه انشطار نواة ثقيلة إلى نواتين متقاربتين في الكتلة ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى طاقة طبقاً لقانون آينتشين.
الوقود الانشطاري هو اليورانيوم 235 والبلوتونيوم.
مصادره:
1 ـ اليورانيوم 235 ويوجد في الطبيعة مختلطاً مع نظائره وأهمها اليورانيوم 238 بنسبة 1: 140 وزناً.
2 ـ البلوتونيوم وهو لا يوجد في الطبيعة ويحضر صناعياً في المفاعلات النووية من اليورانيوم 238.
التفاعل المتسلسل:
هو التفاعل الذي يتم في كتلة معينة من اليورانيوم (235) أو البلوتونيوم عند قذفها بنيوترون فيشطر إحدى النوى ويخرج نيوترونات أو ثلاثة تشطر نوى أخرى فيزداد عدد النيوترونات الناتجة وبالتالي عدد النوى المنشطرة تدريجياً حتى يتم شطر كل نوى الكتلة المعينة وتنطلق طاقة هائلة.
شروط إتمام التفاعل المتسلسل في اليورانيوم:1 ـ أن يكون اليورانيوم 235 نقياً وخالياً من اليورانيوم 238 الذي يأسر النيوترونات السريعة الناتجة من انشطار اليورانيوم 235 فلا يتم التفاعل المتسلسل.
2 ـ أن تكون كمية اليورانيوم ذات حجم لا يسمح بهروب النيوترونات ويحتفظ بها داخل كتلة اليورانيوم ليستمر التفاعل المتسلسل ويعرف هذا الحجم بالحجم الحرج.
الحجم الحرج:
هو الحجم المناسب لكتلة معينة من مادة قابلة للانشطار مثل (يو أو بلو) التي إذا بدأ بها تفاعل انشطاري فإنه يستمر تلقائياً في جميع نوى هذه الكتلة.
البصريات
دراسة الضوء تسمى البصريات, ولها فرعان كبيران: البصريات الفيزيائية والبصريات الهندسية.
يدرس الفيزيائيون في البصريات الفيزيائية طبيعة الضوء والعمليات الفيزيائية التي تتسبب في انطلاقه من الأجسام وانتقاله من مكان إلى آخر. أما البصريات الهندسية فهي دراسة كيفية انتقال الضوء وتأثير المواد المختلفة في اتجاه انتقاله. مثل هذه الدراسة مهمة لفهم تطبيقات مثل العدسات والمرايا التي تستخدم في المناظير الفلكية والمجاهر والنظارات.
وهناك فرع جديد في علم البصريات ظهر في نهاية السبعينات هو البصريات اللاخطية. فمع تطور أشعة الليزر أمكن الحصول على أنواع منها ذات شدة عالية وذات ترابط عال بين فوتوناتها. وتحدث هذه الأنواع عند سقوطها على الأوساط الشفافة تغييراً في الخصائص الضوئية لهذه الأوساط، كمعاملات الانكسار، والامتصاص، والاستقطاب، ويطلق على الفرع الذي يتناول هذه الخصائص الضوئية الحديثة البصريات اللاخطية، وتسمى هذه الخصائص الظواهر الضوئية اللاخطية.
وأهم الظواهر الضوئية اللاخطية هي: ثنائية الاستقرار الضوئي، وانعكاسية الفعل، واسترجاع صور الأشياء في ماضيها باستخدام مرايا اقتران طور الموجات.
البيتاترون
الإستخدام: يستخدم البيتاترون في تعجيل الإلكترونات، أي جعل سرعتها كبيرة جداً باستخدام مجال مغناطيسي متردد، ثم توجّه بعد ذلك إلى هدف من البلاتين لتوليد أشعة سينية ذات طاقة عالية تستخدم في الأبحاث النووية.
نظرية عمله:
تعتمد فكرة التعجيل على تغيّر شدة المجال المغناطيسي المتردد حيث تزداد شدته تدريجياً من صفر إلى نهاية عظمى في الربع الأول من ذبذبة التيار. وفي هذه الأثناء تكتسب الإلكترونات سرعة وطاقة متزايدة تصل إلى أقصاها في نهاية ربع الذبذبة. أي في زمن قدره 1/240 من الثانية. وعندها توجه نحو سلك من البلاتين لتصطدم به فتتولد أشعة سينية ذات طاقة عالية تستخدم في إحداث تفاعلات نووية.
الجهاز الذي يعجل الإلكترونات هو البيتاترون.
تركيب الجهاز:
يتركب كما في الشكل من:
1 ـ أنبوبة زجاجية على شكل حلقة مفرغة من الهواء موضوعة في مستوٍ أفقي بين قطبين متقابلين لمغناطيس كهربي قوي يعمل بتيار متردد تردده 60 هيرتز، أي أن اتجاه التيار وكذلك اتجاه المجال المغناطيسي يتغيّر كل 1/120 من الثانية.
2 ـ يوجد بداخل الأنبوبة فتيلة من التنجستن تعمل كمصدر للإلكترونات، كما يوجد أيضاً بداخل الأنبوبة سلك من البلاتين يعمل كهدف توجّه إليه الإلكترونات بعد تعجيلها فتصطدم به فتولد أشعة سينية ذات طاقة عالية.
التأثير البيولوجي للإشعاعات النووية
ـ سقوط الشعر واحتراق الجلد.
2 ـ وقف قدرة الخلايا على الانقسام.
3 ـ تقليل مناعة الجسم ضد الأمراض.
4 ـ الإصابة بالشيخوخة المبكرة وانخفاض فترة العمر.
5 ـ ضعف الوظائف الحيوية للخلايا.
6 ـ حدوث اضطرابات في الجهاز العصبي.
7 ـ إحداث طفرات وراثية، أي صفات وراثية جديدة في الأبناء لا توجد في الآباء.
8 ـ الإصابة بالسرطان عند التعرض للإشعاعات فترة طويلة.
العوامل التي يتوقف عليها الخطر الناتج من الإشعاعات:
1 ـ حساسية العضو المسلط عليه الإشعاع.
2 ـ قوة نفاذ الإشعاع.
3 ـ فترة نصف عمر المادة المشعة.
4 ـ قدرة الجسم على التخلص من المادة المشعة.
5 ـ إذا ركزت الجرعة المشعة على عضو واحد أو انتشرت على جميع الأعضاء.
6 ـ التأثير البيولوجي النسبي للإشعاع.
أعضاء الجسم الأكثر حساسية للإشعاعات النووية:
1 ـ الخلايا المكونة للدم في الطحال ونخاع العظام.
2 ـ الغدد اللعابية والجهاز الهضمي.
3 ـ النسيج المبطن للجلد وعدسة العين.
4 ـ الخلايا الجينية.
الجرعات المشعة القاتلة هي:
أ ـ 1000 رم إذا وصلت إلى الجسم تدريجياً.
ب ـ 400 رم إذا وصلت إلى الجسم مرة واحدة.
أقصى جرعة مشعة متراكمة = 5 (؟ ـ 18)
حيث (؟) هي عمر الإنسان.
التراسل الضوئي
Optical Communication
لعل أول فكرة لاستخدام الضوء لنقل المعلومات قبل تكنولوجيا الألياف البصرية كان في إرسال ومضات ضوئية أطلق عليها شفرة مورس Morse . وكان لاكتشاف الليزر الفضل في إمكان التراسل الضوئي خلال الألياف البصرية. ففي شبكة التليفونات العادية تتحول الموجات الصوتية التي تدخل إلى الميكروفون إلى نبضات كهربائية، وتنتقل هذه النبضات خلال الأسلاك النحاسية إلى سماعة، حيث تتحول ثانية إلى موجات صوتية. أما في نظام التراسل الضوئي فيتم تحويل الموجات الصوتية التي تصل إلى ميكروفون التليفون إلى إشارات كهربية تنتقل من خلال مُشَفِّر Encoder ـ أي مكوّن للشفرة ـ يحولها إلى نبضات كهربائية يتم بها تشغيل جهاز ليزر النبضات فينتقل الضوء على هيئة سلسة من النبضات الضوئية خلال الألياف البصرية. وعند نهاية الرحلة يلتقط كاشف الضوء هذه النبضات ويحوّلها ثانية إلى نبضات كهربائية تغذى قارىء الشفرة Decoder الذي يترجمها إلى إشارات كهربائية ينتج عنها ذبذبات في المُستَقْبل يتولد عنها موجات صوتية. وتتمتع الألياف البصرية بأفضلية أكيدة على الأسلاك النحاسية في أنها لا تسرِّب الضوء، في حين أنه يمكن تسريب المعلومات من الأسلاك النحاسية، كما تتخلص الألياف البصرية من التداخل بين الخطوط التليفونية، وبهذا توفر الأمان والحفاظ على سرية المعلومات ولا تسمح بالتصنت. ويستخدم في التراسل الضوئي ليزر Injection laser diode لكفاءته العالية وصغر حجمه وقدرته على التحمل. وبتوفر المكونات المطلوبة لنظم التراسل الضوئي أصبحت الآن تستخدم في التراسل بالصوت والصورة بين المباني والمركبات والوصلات بين أجهزة الكمبيوتر ومراكزه وشبكات الاتصالات العامة لخدمة الجمهور. وفي عام 1985 أعلنت المملكة المتحدة عن مشروع إقامة شبكة اتصالات ضوئية لخدمة الجمهور تُغطى المنطقة الوسطى من الجزيرة البريطانية، وتقدمت لتنفيذ المشروع الشركات المتخصصة بعد أن وصلت الصناعة إلى توفير متطلبات نظام التراسل الضوئي طبقاً لمواصفات قياسية لمكونات الشبكة.
التفاعلات النووية
هي التفاعلات التي تتم عند قذف نوى ذرات العناصر بجسيمات خاصة تعرف بالقذائف النووية.
أهميتها:
1 ـ التفاعلات النووية هي الوسيلة لتحرير الطاقة المخزنة في النواة.
2 ـ الحصول على عناصر مشعة.
3 ـ الحصول على قذائف نووية.
أنواع التفاعلات النووية:
يمكن تقسيم التفاعلات النووية إلى قسمين:
أولاً: حسب نوع القذيفة:
1 ـ تفاعلات البروتون المعجل.
2 ـ تفاعلات الديترون المعجل.
3 ـ تفاعلات دقيقة ألفا.
4 ـ تفاعلات النيوترون.
5 ـ تفاعلات الفوتونات.
6 ـ تفاعلات الأيونات الثقيلة.
ثانياً: حسب نوع التحول الناتج:
تفاعل الأسر:
وفيه تؤسر القذيفة بواسطة نواة الهدف وتخرج طاقة القذيفة بصورة فوتونات جاما.
تفاعل الجسيم جسيم:
وفيه تقذف نواة الهدف بقذيفة فيتبخر منها أحد الجسيمات مثل بروتون أو نيوترون أو دقيقة ألفا.
تفاعل انشطاري:
وفيه تنشطر نواة ثقيلة إلى نواتين متقاربتين في الكتلة ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى طاقة كبيرة وخروج بعض النيوترونات مثل تفاعل انشطار يو بواسطة نيوترونات بطيئة.
تفاعل اندماجي:
وفيه تندمج نواتين خفيفتين في نواة واحدة ويحدث نقص في الكتلة يتحول إلى طاقة طبقاً لقانون آينتشين، ومثال ذلك اندماج نظائر الهيدروجين وتكوين الهيليوم.
تفاعل تفتت:
ويحدث عند استعمال قذائف ذات طاقة عالية جداً، وفيه تنقسم النواة المركبة إلى عدة نوى صغيرة مختلفة عن بعضها في الكتلة.
ملاحظات:
1 ـ النيوترون أحسن القذائف النووية لأحداث التفاعل النووي.
لأنه جسيم متعادل لا يعاني تنافراً مع النواة فيصل إليها بسهولة ويحدث التفاعل بأقل الطاقات.
2 ـ الديترون أكفأ قذيفة نووية موجبة لإتمام التفاعل النووي.
لأن الديترون يتكون من بروتون ونيوترون يرتبطان برباط ضعيف. فعند قذف الديترون على نواة الهدف يمكن أن ينفصل البروتون عن النيوترون ويرتد بالتنافر بينما يصل النيوترون إلى النواة ويحدث التفاعل النووي.
الجسيمات الأولية
Elementary Particles
(الجسيمات الأساسية (Fundamental Particles: اسم جامع للجسيمات تحت الذرية التي تتكون منها المادة. والجسيمات الأساسية بعضها مستقر (stable) وهي الفوتون (Photon) والإلكترون (Electron) والنيوترينو (Neutrino) والبروتون (Proton) والنيوترون (Neutron) المقيد داخل نواة الذرة، أما النيوترون الحر خارج النواة فهو جسيم غير مستقر. وقد اكتشفت مجموعات أخرى من الجسيمات حديثاً في الأشعة الكونية (Cosmic Radiation)، كما تم اكتشاف بعضها أثناء تجارب الطاقة العالية باستخدام معجلات الجسيمات عالية الطاقة.
ويمكن تصنيف الجسيمات الأساسية وفقاً لأسس مختلفة، مثل نوع التفاعلات التي تسهم فيها هذه الجسيمات. فالهادرونات (Hadrons)[أي الباريونات (Baryons) والميزونات (Mosons)]تدخل في التفاعلات القوية) Strong Interactions)، أما اللبتونات (Leptons) فتدخل فقط في التفاعلات الضعيفة (Weak Interactions)[إلا إذا كان اللبتون يحمل شحنة كهربائية فإنه يدخل في التفاعلات الكهرومغنطيسية) Electro-magnetic Interations)]. وتستقل الفوتونات كمجموعة منفردة بين مجموعات الجسيمات الأولية، ولقد اكتشفت في الستينات من هذا القرن مجموعة من الجسيمات التي تعتبر جسيمات أولية، إذ يعتقد أنها هي اللبنات الأولية التي تتكون منها المادة، تلك هي الكواركات. والفكرة الأساسية هي أن جميع الهادرونات يمكن أن تتكون من ثلاثة كواركات (انظر: الكوارك) . ويتوقف متوسط عمر الجسيم غير المستقر على ما إذا كان ينحل بتفاعل قوى (ويكون متوسط العمر حوالي 10 ـ 23 ثانية) أو بتفاعل كهرمغنطيسي (حوالي 10 ـ 16 ثانية) أو بتفاعل ضعيف (حوالي 10 ـ 6 ثانية إلى 10 ـ 10 ثانية) والوحدة التي تقدر بها كتلة الجسيم الأساسي هي كتلة السكون للإلكترون.
الدفع
Propulsion
الدفع هو العلم الذي يختص بتوليد قوة يمكنها تحريك جسم ما. ويبنى الدفع مبدئياً على قانون نيوتن المثلث[قوانين نيوتن للحركة]القائل بأن لكل فعل رد فعل مساويا له في المقدار ومضاد له في الاتجاه. ومثل محرك الطائرة يوضح ذلك، فبينما يقوم المحرك. بزيادة كمية تحرك جزء من الهواء المحيط، وهو ما يصحبه أحياناً كارتفاع في ضغطه، تتولد قوة دفع على الطائرة في الاتجاه المضاد.
وتنقسم. أنظمة الدفع لمصدر الوسط الداسر (المسير) . فالمركبات التي تسير في وسط ما كالهواء (الطائرات) أو الماء (السفن والغواصات) عادة ما تستغل بعضاً من ذلك الوسط في توليد قوة الدفع بتغير كمية تحركه. أما المركبات التي تسبح في الفضاء الخارجي كسفن الفضاء فليس لها إلا أن تحمل معها زادها من الوسط الداسر وهو ما يشكل في الوقت نفسه الوقود الذي يسمى بالوقود الداسر.
وتختلف مصادر الطاقة اللازمة للدفع فعادة ما تصدر من التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء احتراق خليط من وقود ومؤكسد مثلما يحدث في أنظمة الدفع الكيميائية. وأكثر أنواع ذلك الوقود شيوعاً هو الذي ينتمي إلى سائله الهيدروكربرنات كالبنزين والكيروسين والمازوت. وتعتمد بعض أنظمة الدفع الكيميائية على الأوكسيجين المتوفر في الهواء الجوي ـ أنظمة متنفسة الهواء ـ كما في معظم محركات الطائرات، بينما تحمل أخرى مخزونها من المواد المؤكسدة ـ أنظمة غير متنقسة الهواء ـ كما في المحركات الصاروخية. وفي أحيان قليلة تؤالف بعض المحركات بين الطريقتين فتستغل ولو جزئياً الأكسيجين الجوى.
وتعتبر الطاقة النووية من مصادر الطاقة غير الشائعة في أنظمة الدفع، حيث يستعمل مائع في تبريد مفاعل نووى ممتص للحرارة الناتجة عن عمليات الانشطار النووى. ويمكن استغلال ارتفاع طاقة هذا المائع مباشرة كوسط داسر أو غير مباشرة في إدارة تربين يدور بدورة الوحدة الدافعة النووية في حين لم تزل التطبيقات الطيرانية في مراحل التطوير.
ولعل النوع الثالث لمصادر الطاقة وهو الكهربائية هو أبعدها عن التطبيق في مجالات الدفع التقليدية[الدفع الأيونى، الدفع الاكترو ماجنتيك، الدفع المغنا هيدروديناميكى]بيد أنه ذو قيمة في آفاق التنقل بين الكواكب!.
ويهتم علم الدفع بتلبية الطلب على قوة الدفع (دفع) للجسم المتحرك. ويتباين ذلك الطلب بحسب طبيعة الحركة. حيث تحتاج تلك الحركة إلى التغلب على مقاومة الوسط المحيط وكذلك على القصور الذاتي للجسم وزيادة طاقة وضعه. ويختلف الطلب على قوة الدفع بتباين ظروف الأداء ما بين سرعات وارتفاعات وكذلك بحسب معدلات التغير فيهما. وبازدياد هذه التباينات فإن محركات الدفع تواجه تحدياً قاسياً لتلبية تلك المتطلبات مع الاحتفاظ بمعدلات كفاءة مرتفعة في الوقت نفسه.
وتقاس كفاءة المحركات عادة بمعدلات استهلاكها للوقود، فبالنسبة للمحركات التي تستعمل الهواء الجوى أو الماء المحيط بها كوسط داسر فإن كفاءة استهلاك الوقود تقاس بالاستهلاك النوعي للوقود، أما المحركات الصاروخية التي تحمل الوسط الداسر معها فإن الكفاءة المرادفة هي الدفع النوعي. غير أن كفاءة استهلاك الوقود ليست هي العامل الأوحد للحكم على مدى ملاءمة محرك ما لاداء المهمة المناطة به فيشمل ذلك عوامل أخرى كالوزن، الحجم، الثمن، تكاليف الصيانة وغيرها...
ويشمل نظام الدفع الأجزاء الخاصة بتوليد قوة الدفع، وهي المكون الرئيسي للمحرك، بالإضافة إلى أجزاء وأنظمة فرعية تعمل على خدمتها، كنظام التحكم ـ نظام تغذية الوقود ـ نظام التزييت ـ نظام التبريد ـ نظام البدء،... ويتناول الدفع أداء وتصميم وتشغيل وصيانة هذه الأنظمة.
الديناميكا الحرارية
Thermodynamics
الديناميكا الحرارية فرع يهتم بدراسة التغيرات في الطاقة التي تصاحب العمليات الكيميائية والفيزيائية, وتتعلق الديناميكا الحرارية ببحث كيفية إنتاج الحرارة وانتقالها من موقع إلى آخر وتأثيرها على المادة وكيفية تخزينها. ويمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى أنواع أخرى من الطاقة وبالعكس. فعند احتراق الفحم الحجري على سبيل المثال, يتحول جزء من الطاقة الكيميائية التي تربط بين جزيئاته إلى حرارة. وتشمل الدينامية الحرارية أيضاً علم التقريس الذي يدرس المواد عند درجات منخفضة جداً من الحرارة. ومبادئ الدينامية الحرارية ضرورية لفهم كل أنواع الآلات الحرارية, التي تشمل آلات الديزل والبنزين والبخار كما تشمل آلات أجهزة التبريد.
وتمكننا الديناميكا الحرارية من أن نتوقع إمكانية حدوث التفاعل الكيميائي تلقائياً تحت ظروف معينة، وبذلك فإنه يمكننا توفير كثير من الجهد والوقت والمال ببعض حسابات الديناميكا الحرارية. كذلك يمكن باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية تعيين مدى تلقائية التفاعل من خلال تعيين موضع الاتزان وحساب ثابت الإتزان. وتتلخص الديناميكا الحرارية في قوانين ثلاثة تسمى القانون الأول، والثاني، والثالث للديناميكا الحرارية. القانون الأول هو قانون بقاء الطاقة، حيث ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث ولكنها يمكن أن تتحول من صورة إلى أخرى، فمثلاً إذا اختفت كمية من الطاقة الميكانيكية فإنها يمكن أن تظهر في صورة كمية مساوية لها من الطاقة الحرارية. والقانون الأول لا يضع قيوداً على أي تغير كيميائي أو فيزيائي إلا من حيث بقاء الطاقة. والقانون الثاني يضع الأساس لتحديد إمكانية توقع تلقائية مثل هذا التغير. وهو يؤدي إلى حقيقة أن جميع العمليات الطبيعية تميل إلى السير تلقائياً نحو حالة الاتزان ويمكن الحصول على دوال الحالات لما يسمى الطاقة الداخلية للنظام E والمحتوى الحراري للنظام H كتطبيق على القانون الأول. ويمكن الحصول على دالة تسمى الإنتروبى S من القانون الثاني وهي دالة حالة، وتعتمد على الحالة الموجود عليها النظام بغض النظر عن طريقة الوصول إلى هذه الحالة. والإنتروبى يمكن تفسيره على أنه مقياس للعشوائية أو عدم الترتيب لأي نظام. فالنظام الأقل ترتيباً له إنتروبى أعلى والأكثر ترتيباً له إنتروبى أقل. وحيث أن عدم الترتيب أكثر احتمالاً من الترتيب فإن أية عملية تكون تلقائية في التحول من الترتيب إلى عدم الترتيب أي من الحالة ذات الإنتروبى الأقل إلى الحالة ذات الإنتروبى الأكبر، أي أن العملية التلقائية تكون مصحوبة بزيادة في الإنتروبى ولهذا ينص القانون الثاني على أن أية عملية تلقائية تكون مصحوبة بزيادة في الإنتروبى. ومن البديهي أن نلاحظ أنه عندما تمتص مادة الحرارة فإن عشوائية جزيئات هذه المادة تزداد وبالتالي يمكننا القول إن إنتروبى المواد يزداد بارتفاع درجة الحرارة وينقص بانخفاضها. وحيث أن البلورة هي أكثر صور المادة ترتيباً فهي أقلها من ناحية الإنتروبى، وعند الصفر المطلق تكون جزيئات المادة في البلورة في قمة الترتيب. وبالتالي تكون منخفضة الأنتروبى ومن هنا ينتج القانون الثالث الذي ينص على أنه «عند الصفر المطلق فإن إنتروبى البلورة المثالية (الكاملة) يكون صفراً.
السيكلوترون
تركيب السيكلوترون:
يتركب السيكلوترون من الأجزاء التالية:
1 ـ القلب:
ويتكون من غرفتين معدنيتين مجوفتين (د 1، د 2) كل منهما على شكل حرف (D)، وتحصر الغرفتان بينهما فجوة طولية صغيرة.
2 ـ مصدر للجسيمات المراد تعجيلها:
وهي البروتونات أو الديوترونات أو جسيمات ألفا، وتوضع في منتصف الفجوة الطولية بين الغرفتين.
3 ـ مصدر لفرق جهد متردد عالي التردد:
تتصل الغرفتان بمصدر جهد متردد (100000) فولت وتردده 10 مليون هيرتز يعمل على توليد مجال كهربي متغير الاتجاه في الفجوة بين (د 1، د 2) .
4 ـ الأسطوانة المعدنية:
يوضع القلب داخل أسطوانة معدنية بحيث يكون معزولاً عنها، ويفرغ الهواء من الأسطوانة ومن الغرفتين حتى لا تتصادم جزيئات الهواء مع الجسيمات المعجلة فتنحرف عن مسارها وتفقد جزءاً من طاقتها.
5 ـ المغناطيس الكهربي:
توضع الأسط وانة بما فيها بين قطبي مغناطيس كهربي قوي بحيث يكون اتجاه مجاله المغناطيسي عمودياً على مستوى سطحيها.
6 ـ اللوح الحارف:
وهو لوح معدني سالب الشحنة يعمل على جذب الجسيمات الموجبة في نهاية مسارها الحلزوني عند خروجها من فتحة القلب ويوجهها إلى الهدف للتفاعل معه.
يستخدم لتعجيل الجسيمات الموجبة مثل البروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا، فتزداد سرعتها إلى درجة كبيرة جداً فيمكن استخدامها كقذائف توجه نحو نوى الذرات في تجارب النشاط الإشعاعي الصناعي.
وتعتمد فكرة التعجيل على تغير اتجاه المجال الكهربي في الفجوة بين الغرفتين (د 1، د 2) . فعندما يعبر الجسيم الفجوة يكتسب سرعة وطاقة، فإذا تكررت هذه العملية عدة مرات تزداد طاقته تدريجياً حتى تصل طاقته إلى أقصاها في نهاية مسارة فيوجه نحو الهدف لإحداث التفاعل النووي.
شرح نظرية عمله:
1 ـ عند تشغيل فرق الجهد العالي المتردد يعمل على تغيير اتجاه المجال الكهربي في الفجوة بين الغرفتين كل نصف دورة من دورات التيار. وعندما يكون جهد (د 1) سالباً وجهد (د 2) موجباً، يتحرك الجسيم الموجب من منتصف الفجوة (م) إلى (د 1) بتأثير المجال الكهربي الموجود في المسافة بين الغرفتين بقوة قدرها س ح، فيكتسب الجسيم طاقة تعمل على زيادة سرعته الخطية (ع) فيدخل الغرفة (د 1) .
2 ـ نظراً لأن الغرفة (د 1) مجوفة فإن شدة المجال الكهربي بداخلها = صفر فلا يؤثر على الجسيم داخل الغرفة سوى المجال المغناطيسي بقوة (س م ع) . تعمل القوة المغناطيسية على تحريك الجسيم داخل الغرفة (د 1) في مسار دائري لتقطع نصف دورة في نصف الزمن الدوري للتيار المتردّد.
3 ـ في اللحظة التي يُتم الجسيم نصف دورة يتبدل الجهد بين الغرفتين، أي يتبدل اتجاه المجال الكهربي، فتصبح (د 1) موجبة و(د 2) سالبة. فيندفع الجسيم نحو (د 2) فيتم تعجيله أثناء عبوره الفجوة بواسطة المجل الكهربي مرة ثانية. ونتيجة لذلك يكتسب الجسيم عجلة وتزداد سرعته الخطية.
4 ـ يدخل الجسيم الغرفة (د 2) بسرعة أكبر ويتحرك في مسار دائري ذي نصف قطر أكبر ويقطعه في نصف الزمن الدوري للتيار المتردد.
5 ـ وهكذا يتكرر ما سبق ويكتسب الجسيم مزيداً من الطاقة في كل لحظة يعبر فيها الفجوة. وتتزايد تبعاً لذلك سرعته الخطية (ع) ونصف قطر مساره الدائري فيدور في مسار حلزوني حتى يصبح نصف قطر مساره الدائري مساوياً لنصف قطر الغرفة وتصل طاقته إلى أقصاها. فيخرج الجسيم في نهاية مساره من الفتحة المخصصة لذلك فيمر بالقرب من اللوح الحارف فيوجه بواسطة اللوح الحارف نحو الهدف.
ملاحظة:
أ ـ السيكلوترون لا يعجل النيوترونات لأنها متعادلة كهربياً، أي غير مشحونة، وبذلك لا تتأثّر بالمجال الكهربي وهو الذي يقوم بعملية التعجيل. كما أنه لا يعجل الإلكترونات بسبب الزيادة النسبية الكبيرة في كتلة الإلكترونات عند اكتسابها للطاقة، وبذلك لا يستطيع الإلكترون أن يقطع القوس الدائري داخل الغرفتين في نصف زمن ذبذبة التيار فلا يمكن تعجيله لأن التيار يغيّر اتجاهه قبل وصول الإلكترون إلى الفجوة.
ب ـ يعمل على تعجيل الإلكترونات مما يكسبها طاقة إضافية في كل دورة كما يعمل على أن تتحرك في مسار دائري ذي نصف قطر ثابت.
أقصى سرعة للأيون المعجّل بواسطة السيكلوترون.
أقصى سرعة (ع) قصوى = م. س. س/ك
الصمامات ومقوماتها
الصمام الثنائي هو ابسط انواع الانابيب الخوائية (2 ـ أ)، وهو يستطيع تغيير تيار متناوب (مثل تيار المولد الرئيسي) إلى سلسلة من النبضات (تيار مستمر) بعملية معروفة بالتقويم. يعطي الصمام الثنائي ذو الانود الواحد تقويما نصف موجيّ (2 ـ ب) . لكن فعّالية العملية تتحسّن بتقويم الموجة الكاملة (2 ـ ح) . للحصول على تيار مستمر خال من النبضات، يمكن وصل التيار النابض بعناصر اضافية في الدائرة، كالمكثّفات وصمامات الخنق، التي تجعله «املس».
أصبح من العادي اليوم الاستغناء عن الصمامات الثنائية لاستبدالها بالمواد النصف موصّلة الصلبة. فجميع الدوائر الحديثة تقريباً في الأدوات المنزلية الكهربائية تصنع من اجزاء صلبة.
مع أن الصمام الصلب الثنائي (2 ـ ج) هو أصغر بكثير من الصمام الخوائي المعادل له، فانه يقوم تماماً بوظيفة التقويم ذاتها، عندما يستعمل في دوائر من النوع ذاته (2 ـ ث)، مع هذا الفرق انه ليس مجهّزاً بفتيلة (مسخّن) .
فضلاً عن ذلك، استطاع المخترع الامريكي لي دي فورست (1873 ـ 1961) تحسين الصمام الثنائي عندما توصل عام 1906 إلى التحكّم بسيل الإلكترونات بين المصعد (الكاثود) والمهبط (الانود)، وذلك باضافة إلكترود ثالث إلى الصمام (3) . ثم توصّل، باستعمال عدد مناسب من العناصر الأخرى. كالمكثفات والمقاومات في الدائرة الكهربائية إلى جعل الصمام الثلاثي صالحاً ليقوم بوظيفة مضخّم للفلطيّة (3 ـ ب) .