نوع جدید و متفاوتی از ابررسانا

نوع جدید و متفاوتی از ابررسانا

نوع جدید و متفاوتی از ابررسانا
علم فیزیک – نوع جدید و متفاوتی از ابررسانا

پژوهشگران آمریکایی، به تازگی نوع جدیدی از ابررسانا را با ویژگی‌ها و عملکرد متفاوت کشف کرده‌اند.

به گزارش ایسنا و به نقل از ساینس‌الرت، یکی از اهداف نهایی فیزیک نوین، استفاده از قدرت ابررسانایی است. ابررسانایی، پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی، مقاومت الکتریکی ماده دقیقاً صفر می‌شود و ماده به ویژگی دیامغناطیس کامل می‌رسد؛ یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند.

معمولا هنگامی که الکتریسیته درون یک ماده جاری می‌شود، برای مثال هنگامی که برای روشن کردن یک لامپ درون سیم‌ها جریان می‌یابد، حرکتی سریع دارد.

الکتریسیته توسط الکترون‌هایی حمل می شود که به مواد داخل اتم وارد می‌شوند و با هر برخورد، قدری از انرژی خود را از دست می‌دهند. به دلیل همین مقاومت، شبکه‌های الکتریسیته، تا هفت درصد از انرژی خود را از دست می‌دهند اما هنگامی که برخی از مواد در دمای بسیار پایین سرد می‌شوند، اتفاق دیگری رخ می‌دهد. الکترون‌ها جفت می‌شوند و بدون مقاومت و به طور منظم جریان می‌یابند.

با وجود اینکه پیشرفت در این زمینه کند بوده است، فیزیک‌دانان به تازگی، به کشف غیرمنتظره‌ای دست یافته‌اند. آنها یک ابررسانا کشف کرده‌اند که عملکرد آن، به آنچه تاکنون دیده شده شباهتی ندارد و همین موضوع، به احتمالات جدیدی که تاکنون وجود نداشته‌اند، ختم می‌شود. به عبارت دیگر، فیزیکدانان، نوع جدیدی از ابررسانایی را کشف کرده‌اند.

در حال حاضر، ابررسانایی، برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی قوی در دستگاه‌های ام‌.آر.آی و قطارهای “مگلو” (maglev) – گونه‌ای از قطارها که با استفاده از نیروی مغناطیسی، بطور شناور در هوا و در فاصله کمی از ریل قرار دارند و بدون دریافت مقاومت زیادی از محیط می‌توانند با سرعت‌های بسیار زیاد به پیش بروند-استفاده می‌شوند.

اکنون، پژوهشگران “دانشگاه مریلند” (University of Maryland) در آمریکا، هنگام بررسی یک ماده عجیب در دمای بسیار سرد، نوع جدیدی از ابررسانایی کشف کرده‌اند.

این نوع از ابررسانا، نه تنها در مواد غیرقابل انتظار ظاهر می‌شود، بلکه به نظر می‌رسد به تعاملات الکترون بستگی داشته باشد که این موضوع اساسا با آنچه تاکنون تصور می‌شد، متفاوت است؛ پس نمی‌توان نوع احتمالی آن را مشخص کرد.

برای درک این تفاوت، باید روش تعامل الکترون‌ها از راه یک ویژگی کوانتومی به نام “اسپین”(spin) را بدانید. اسپین، از خاصیت‌های بنیادی ذرات زیراتمی است که معادل کلاسیک ندارد و یک ویژگی کوانتومی به شمار می‌آید. نزدیک‌ترین ویژگی کلاسیک به اسپین، اندازه ‌حرکت زاویه‌ای است.

در یک ابررسانای معمول، اسپین الکترون‌ها، ۲/۱ است اما گروه پژوهشی دانشگاه مریلند دریافت که اسپین الکترون‌ها در این ماده خاص موسوم به ” YPtBi”، به ۲/۳ می‌رسد.

“ژان‌پیر پگلاین” (Johnpierre Paglione)، نویسنده ارشد این پژوهش می‌گوید: هیچ کس تصور نمی‌کرد چنین کشفی در مواد جامد ممکن باشد. حالت بالای اسپین در اتم‌های تک، ممکن است اما هنگامی که اتم‌ها در کنار هم و در حالت جامد قرار می‌گیرند، معمولا این حالت از بین می‌رود و اسپین آنها تغییر می‌کند.

شاید شرایط این ابررسانا، بتواند جهان را متحول کند و علم الکترونیک را به شکلی باورنکردنی، کارآمد سازد.

این پژوهش در مجله ” Science Advances” به چاپ رسیده است.

نوع جدید و متفاوتی از ابررسانا ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

پرندگان و میدان‌های مغناطیسی زمین

پرندگان و میدان‌های مغناطیسی زمین

پرندگان و میدان‌های مغناطیسی زمین
علم فیزیک – پرندگان و میدان‌های مغناطیسی زمین

پژوهشگران سوئدی و آلمانی توانستند دلیل قدرت پرندگان در تشخیص میدان‌های مغناطیسی زمین را مشخص کنند.

به گزارش ایسنا و به نقل از ساینس‌الرت، پژوهشی جدید نشان داده است بر خلاف باور موجود، قدرت جهت‌یابی پرندگان به خاطر آهن موجود در نوک آنها نیست بلکه به خاطر پروتئین موجود در چشمان آنهاست. این پروتئین، امکان دیدن میدان‌های مغناطیسی زمین را برای پرندگان فراهم می‌کند.

این پروتئین چشمی، “کرای ۴” (Cry4) نام دارد و بخشی از انواع پروتئین‌های موسوم به “کریپتوکروم”(cryptochromes) است. کریپتوکروم‌ها، فتوگرامترهای حساس به نور آبی هستند که هم در گیاهان و هم در حیوانات وجود دارند.

نقش پروتئین‌های کریپتوکروم، در تنظیم ساعت زیستی قابل توجه است.

در سال‌های اخیر، شواهدی مبنی بر این وجود داشته است که کریپتوکروم‌های موجود در چشم پرندگان، دلیل توانایی آنها در جهت‌یابی با تشخیص میدان‌های مغناطیسی است. این حس، “مگنتورسپشن” (magnetoreception) نام دارد.

برای یافتن سرنخ‌های بیشتر در مورد کریپتوکروم‌ها، دو گروه پژوهشی از “دانشگاه‌ لوند” (Lund University) سوئد و “دانشگاه اولدنبورگ” آلمان با یکدیگر همکاری کردند.

پژوهشگران دانشگاه لوند، بیان ژن سه کریپتوکروم Cry1, Cry2 و Cry4 را در مغز، عضله و چشمان فنچ راه‌راه سنجیدند. آنها دریافتند که Cry1 و Cry2 روزانه تغییر می‌کنند اما Cry4 سطح ثابتی دارد که احتمال آمادگی آن را برای مگنتورسپشن افزایش می‌دهد.

به گفته این پژوهشگران، Cry1a, Cry1b و Cry2، الگوهای قوی نوسان زیستی را نشان می‌دهند؛ درحالی که Cry4، فقط یک نوسان زیستی ضعیف را نشان می‌دهد.

همچنین، آنها دریافتند که Cry4، در ناحیه‌ای از شبکیه چشم جمع شده است که نور زیادی دریافت می‌کند و در نتیجه برای مگنتورسپشن وابسته به نور مناسب است.

مورد دیگری که در این پژوهش مشخص شد این بود که سینه‌سرخ‌های اروپایی، در مقایسه با جوجه‌هایی که مهاجرت نمی‌کنند، در طول فصل مهاجرت،  با افزایش Cry4 روبه‌رو هستند.

با این حال، هر دو گروه پژوهشی تاکید کردند این شواهد با وجود قوی بودن، کامل نیستند و برای اثبات به بررسی بیشتری نیاز دارند.

پژوهش‌”فنچ راه‌راه” در مجله ” Royal Society Interface” و پژوهش “سینه‌سرخ اروپایی” در مجله ” Current Biology” به چاپ رسید.

پرندگان و میدان‌های مغناطیسی زمین ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

کوچکترین رایانه جهان

کوچکترین رایانه جهان

کوچکترین رایانه جهان
علم فیزیک – کوچکترین رایانه جهان

شرکت “آی.بی.ام” (IBM) که یک شرکت تولیدکننده و فروشنده نرم افزر و سخت افزار است در آخرین دستاورد خود موفق به ساخت کوچکترین کامپیوتر ( رایانه ) جهان شد. در نخستین روز کنفرانس بزرگ” آی‌.بی‌.ام تینک ۲۰۱۸” (IBM Think 2018 ) که از ۱۹ مارس آغاز شده است، این شرکت از کوچک‌ترین کامپیوتر ( رایانه ) جهان پرده برداشت.

به گزارش ایسنا و به نقل از گیزمگ، در این مراسم شرکت “آی.بی.ام” IBM پنج فناوری را معرفی کرد. آنها معتقدند این فناوری‌ها در ایجاد تغییرات در جامعه و کسب و کار در پنج سال آینده نقش مهمی خواهند داشت.

این شرکت معتقد است اندازه این کامپیوتر ( رایانه ) قوی به اندازه یک دانه نمک کوچک است و برای دیدن ساختار آن به تلسکوپ نیاز است.

کامپیوتر جدید این شرکت، مشابه نمونه‌های کنونی نیست و ظاهر کوچک آن این کامپیوتر ( رایانه ) را به فناوری چشمگیری تبدیل کرده است.

طبق گفته‌ی شرکت “آی.بی.ام”  IBM، در حالیکه تولید کوچکترین کامپیوتر ( رایانه ) دنیا تنها ۱۰ سنت برای این شرکت هزینه داشته است اما این کامپیوتر ( رایانه ) صدها هزار ترانزیستور را در خود جای داده است که این امکان را برایش فراهم می‌آورند که بتواند دیتاهای اطلاعاتی را تجزیه و تحلیل و میان داده‌ها ارتباط برقرار کند.

این کامپیوتر ( رایانه ) کارایی‌های دیگر نیز دارد و می‌توان از آن در حوزه “زنجیره بلوکی”(block chain) نیز استفاده کرد. زنجیره بلوکی معاملات آنلاین امن را تسهیل می‌کند. این کامپیوتر می‌تواند منبع اطلاعاتی مطلوبی برای برنامه‌های زنجیره بلوکی باشد چرا که این کامپیوتر می‌تواند روند جابجایی، دزدی، کلاهبرداری را ردیابی کرده و از وقوع آنها جلوگیری کند. با وجود رونمایی از این محصول، هنوز معلوم نیست که این شرکت چه زمانی کوچکترین کامپیوتر شگفت انگیز دنیا را عرضه خواهد کرد.

کوچکترین رایانه جهان ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

اسپین الکترون

اسپین الکترون

مایکل فارادی، دانشمند مشهور انگلیسی نخستین کسی بود که در اواسط قرن نوزدهم میلادی به تاثیر میدان مغناطیسی روی پرتو های نوری که از یک محیط مادی عبور می کنند پی برد. تحقیقات فارادی در مورد تاثیر میدان مغناطیسی بر ذرات ماده و نور گسیل شده از آن ها توسط سایر فیزیک دانان ها همچنان ادامه یافت تا اینکه تقریبا پنجاه سال پس از او یک فیزیک دان هلندی به نام پیتر زیمان با آزمایش هایی که در دانشگاه لایدن انجام داد با پدیده جالب و عجیبی در این مورد مواجه شد.

اسپین الکترون
علم فیزیک – اسپین الکترون

زیمان به کمک آزمایش های طیف نگاری و بررسی طیف نوری گسیل شده از اتم ها به واسطه حضور در میدان مغناطیسی به چند خط طیفی متفاوت شکافته می شوند. اما علت این شکافتگی طیفی چه بود؟ مساله تبیین اثر زیمان و چند مساله حل نشده دیگر در فیزیک اتمی سبب شد که دو فیزیکدان هلندی به نام ساموئل گودسمیت و ژرژاولن بک در سال ۱۹۲۵ (۱۳۰۴) ایده اسپین الکترون را مطرح کنند. بر اساس این ایده، ذره الکترون مانند یک گوی یا فرفره بسیار کوچک با سرعت بسیار زیادی به دور خود می چرخند و بنابراین یک تکانه زاویه ی ذاتی – موسوم به اسپین – دارد. اما با توجه به اینکه الکترون یک ذره باردار است؛ بنابراین به واسطه چرخش ذاتی خود یک گشتاور دو قطبی مغناطیسی ذاتی هم خواهد داشت و در واقع وجود همین گشتاور دو قطبی مغناطیسی است که سبب می شود انرژی الکترون ها در حضور میدان مغناطیسی تغییر کرده و در نتیجه تراز های انرژی اتم نیز تغییر می کنند و همین مساله منجر به تغییر طیف اتم ها در حضور میدان مغناطیسی می شود. اما گودسمیت و اولن بک به نکته مهم دیگری هم در مورد اسپین الکترون پی بردند. آنها دریافتند که بردار اسپین الکترون ها برخلاف ذرات کلاسیک نمی تواند در هر امتداد دلخواهی قرار گیرد بلکه آنها همانند فرفره های اسرار آمیزی هستند که محور چرخش آنها تنها می تواند در امتداد های خاصی در فضا قرار بگیرد. بدین ترتیب مشخص شد که اسپین الکترون ها هم مثل بسیاری دیگر از پدیده ها، کمیتی کوانتومی و ناپیوسته است.

کشف اسپین کواتومی الکترون ها به خوبی توانست نتایج مرموز آزمایش دیگری را نیز که چند سال پیش تر توسط دو فیزیک دان آلمانی به نام های اتو اشترن و والتر گرلاخ در دانشگاه فرانکفورت صورت گرفته بود توضیح دهد. این فیزیکدان در آزمایش خود (که به آزمایش اشترن- گرلاخ شهرت یافت) باریکه ای از اتم های نقره را از یک میدان مغناطیسی غیر همگن عبور دادند. انتظار این بود که اتم ها به واسطه گشتاور مغناطیسی خود که جهت های تصادفی مختلفی داشتند، پس از عبور از میدان مغناطیسی به طور تصادفی منحرف شده و در نتیجه با توزیع یکنواختی به آشکار ساز مقابل خود برخورد کنند؛ اما در کمال شگفتی اتم ها یا فقط به مقدار مشخصی به سوی بالا منحرف می شدند یا به سوی پایین! پش از کشف ویژگی کوانتومی اسپین الکترون ها مشخص شد از آنجایی که اتم های نقره یک الکترون منفرد در لایه آخر اتمی خود دارند و با توجه به کوانتومی بودن اسپین الکترون- که تنها می تواند در دو امتداد مختلف به میدان مغناطیسی قرار گیرد- بنابراین اتم های نقره پس از عبور از میدان مغناطیسی غیر همگن فقط یا مقداری به بالا منحرف می شوند یا به پایین و حالت بینابینی مابین این دو وجود ندارد. بعد ها با کشف ذرات زیر اتمی دیگر نظیر پروتون، نوترون، میون و … مشخص شد که ویژگی کوانتومی اسپین منحصر به الکترون ها نیست و تمامی ذرات زیر اتمی اسپین کوانتومی دارند. با پیشرفت فیزیک کوانتومی طی دهه های بعد فیزیک دان ها توانستند با استفاده از این ویژگی کوانتومی ذرات، فناوری های بدیعی نظیر آنالیز مواد با استفاده از تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) تصویر برداری MRI و اسپین ترونیک را توسعه دهند.

اسپین الکترون ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع : مهروماه

ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهان

ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهان

برخورد دهنده بزرگ هادرونی در مرکز سرن که بزرگترین شتاب‌دهنده ذره جهان است، اکنون به یک بازرس رباتیک مجهز شده که بطور بلادرنگ بر سیستم تونلی این تاسیسات نظارت می‌کند.

این سیستم رباتیک “تیم” (TIM) نام دارد که مخفف ” قطار بازرسی مونوریل” است و در میان تونل‌های برخورددهنده بر روی مونوریل متصل به سقف حرکت می‌کند.

این مسیر در زمانی که این تونل برای برخورددهنده بزرگ الکترون -پوزیترون در سال ۱۹۸۹ ساخته شده بود، در آن ایجاد شد و به انتقال تدارکات و کارکنان می‌پرداخت.

این شتاب‌دهنده تا سال ۲۰۰۰ به کار مشغول بود اما در سال ۲۰۰۱ غیرفعال و برچیده شد.

پس از آن، تونل مذکور برای برخورددهنده بزرگ هادرونی مورد استفاده قرار گرفت.

ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهانعلم فیزیک – ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهان

ربات تیم با سرعت شش کیلومتر در ساعت در میان تونل‌ها حرکت کرده و با استفاده از مجموعه‌ای ابزار به نظارت بر ساختار، دما و درصد اکسیژن تونل می‌پردازد.

تیم همچنین به نقشه‌برداری از تابش پرداخته و تصاویر بصری و مادون قرمز از درون تونل را در اختیار اپراتورها قرار می‌دهد.

در حال حاضر دو ربات تیم در این تونل به کار گرفته شده‌اند که هر دو منتظر فرمان اپراتورها در برخورددهنده بزرگ هادرونی هستند.

برخورددهندهٔ هادرونی بزرگ یک شتاب‌دهندهٔ ذرّه‌ای و برخورددهنده مستقر در سازمان تحقیقاتی سرن در نزدیکی ژنو سوئیس است.

این پروژه در ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ میلادی (۲۰ شهریور ۱۳۸۷ هجری شمسی) پس از ۲۰ سال آماده‌سازی، آغاز به کار کرد.

هدف از ساختن آن :

۱-شناخت اجرام مادّه در حدّ فاصل ‎  {\displaystyle 10^{-23}} سانتی‌متر

۲-آزمون مدل استاندارد ذرّات

۳-کشف اجزای یافت نشدهٔ مدل استاندارد

۴-آزمون نظریّهٔ ابرتقارن و نظریه وحدت بزرگ است.

از دیگر اهداف مهمّ این پروژه کشف ذرّه بنیادی هیگز است که فیزیکدانان ذرات بنیادی وجود آن را پیشگویی کرده‌اند.

ذرهٔ هیگز یا بوزون هیگز دخیل در ایجاد جرم در ذرّات بنیادی است.

در این آزمایشگاه پروتونها در یک تونل ۲۷ کیلومتری شتاب گرفته و به اندازه ۱۴ تریلیون الکترون ولت انرژی می‌گیرند و به هم برخورد می‌کنند

منبع : خبرآنلاین

ربات بازرس در بزرگ‌ترین برخورددهنده جهان ،

اخبار فیزیک ، مقالات فیزیک ، علم فیزیک

فیزیک کوانتوم ، فیزیک نجوم ، مکانیک ، الکترومغناطیس

قویترین برخورددهنده ذرات

چین به دنبال ساخت قویترین برخورددهنده ذرات جهان

دانشمندان چینی یک طرح اولیه مفهومی از ابربرخورددهنده ذرات را تکمیل کرده‌اند که بسیار بزرگتر و قویتر از همه شتاب‌دهنده‌های ذرات در زمین خواهد بود.

علم فیزیک - قویترین برخورددهنده ذراتقویترین برخورددهنده ذرات

به گزارش سرویس علمی ایسنا، وانگ ییفانگ، رئیس موسسه فیزیک انرژی بالا در آکادمی علوم چین اظهار کرد: ما طرح مفهومی اولیه را تکمیل کرده و اخیرا یک بازبینی دقیق بین‌المللی را سازمان‌دهی کرده‌ایم. طراحی مفهومی نهایی تا پایان سال ۲۰۱۶ تکمیل خواهد شد.

این موسسه تاکنون پروژه‌های اصلی فیزیک انرژی بالای چین از جمله برخورددهنده پوزیرترون‌الکترون پکن و تجربه راکتور نوترینوی خلیج دایا را اجرا کرده است.

اکنون دانشمندان یک شتاب‌دهنده جدید جاه‌طلبانه‌تر با هفت برابر انرژی بیشتر از برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در اروپا را ارائه کرده‌اند.

برخورددهنده پوزیترون‌الکترون دایره‌ای (CEPC) با محیط ۵۰ تا ۱۰۰ کیلومتر به تولید میلیون‌ها ذره بوزن هیگز خواهد پرداخت که به درک دقیقتر کمک خواهد کرد.

وانگ گفت: مسیر فنی مورد انتخاب ما با برخورددهنده بزرگ هادرونی که با برخورد دادن ذرات پروتون به یکدیگر، ذرات هیگز را به همراه بسیاری از ذرات دیگر تولید می‌کند، متفاوت است.

کارخانه بوزون هیگز تنها یکی از گامهای این طرح جاه‌طلبانه است. فاز دوم پروژه که برخورددهنده ابرپروتون-پروتون (SPPC) نام دارد، یک نسخه کاملا ارتقا یافته از برخورددهنده بزرگ هادرونی است.

برخورددهنده بزرگ هاردونی در اوایل سال ۲۰۱۳ برای ارتقای بیشتر خاموش شد و مجددا در ماه ژوئن سال جاری با سطوح انرژی دو برابر شده ۱۳ تراالکترون‌ولت آغاز بکار کرد.

ساخت مولکول‌های نوری امکان‌پذیر شد

ساخت مولکول‌های نوری امکان‌پذیر شد

فیزیکدانان موسسه استاندارد و فناوری آمریکا با همکاری محققان دانشگاه مریلند دریافتند که با تغییر در پارامترهای فرآیند اتصال ( مولکول‌های نوری ) فوتون‌های نوری می‌توان حرکت آنها را تحت کنترل درآورد .

علم فیزیک - مولکول‌های نوریمولکول‌های نوری

به گزارش سرویس علمی ایسنا منطقه خراسان، حدود دو سال قبل محققان دانشگاه کالیفرنیا با همکاری موسسه فناوری ماساچوست برای اولین‌ بار موفق به اتصال دو فوتون به یکدیگر شدند .

دانشمندان معتقدند که فوتون‌های نوری جزء ذرات بنیادی و یکی از شکل‌های تابش الکترومغناطیسی به شمار می‌روند .

در این تحقیق ( مولکول‌های نوری ) مشخص شد که ذرات بدون وزن فوتون می‌توانند مانند یک مولکول و با نیرویی پیچیده به هم متصل شوند .

پروفسور الکسی گوروشکو، فیزیکدان موسسه تحقیقاتی استاندارد و فناوری آمریکا اظهارکرد: نمی‌توانیم این پیوند ( مولکول‌های نوری ) را کاملا شبیه پیوند مولکولی قلمداد کنیم، اما از نظر ساختاری پیوند بین فوتون‌های نوری شباهت‌هایی با پیوند مولکولی دارد.

وی در ادامه افزود: در این بررسی دانشمندان نحوه ساخت ساختارهای پیچیده نوری را فرا گرفتند و برای نخستین بار پیوند بین فوتون‌های نوری امکان‌پذیر شد .

محققان معتقدند که با ورود به عرصه دنیای فوتون‌ها می‌توان کیفیت بسیاری از فناوری‌های بر مبنای نور مانند سیستم‌های ارتباطی و تصویر‌سازی را بهبود بخشید .

در واقع با انجام مهندسی بر روی فوتون‌های نوری  ( مولکول‌های نوری ) می‌توان فعل ‌و انفعالات بین آنها را تغییر داد .

پروفسور گوروشکو در مورد یکی از موارد تاثیر این فناوری جدید ( مولکول‌های نوری ) بر روی افزایش کیفیت تجهیزات آزمایشگاهی عنوان کرد: دانشمندان به کمک فناوری پیوند فوتون‌ها می‌توانند حسگرهای نوری را با دقت بسیار بالایی در آشکارسازهای نوری تنظیم کنند .

دانشمندان امیدوارند که با پیشرفت این فناوری  ( مولکول‌های نوری ) در آینده نزدیک سیستم پردازش رایانه‌های امروزی را به سیستم پردازش نوری تبدیل کنند که این امر علاوه بر افزایش چشمگیر سرعت، مصرف انرژی را به شدت کاهش می‌دهد .

منبع : خبرگزاری ایسنا

امواج الکترومغناطیس و سلامتی انسان

امواج الکترومغناطیس و سلامتی انسان

 

با گذشت لحظه ، لحظه های زمان، جهان دیگر همان جهان قبلی نیست، با توجه به تحقیقات وسیع علمی که در اقسی نقاط جهان در حال انجام است، جهان جدید، جهانی بسیار پیشرفته تر از چند لحظه قبل است. با توجه به این شرایط، ابزار آلات و وسایل مورد استفاده بشر نیز مطابق با این وضعیت در حال پیشرفت است.
امروزه از آنجایی که همه تلاشهای محققان بر این رابطه استوار است تا مرزها را بشکنند و صرفه جویی در زمان نمایند؛ لذا تحقیقات بر روی وسایل رادیویی و کنترل از راه دور با سرعت بی سابقه ای در حال انجام است، مهمتر از همه، کاربردهای بسیار زیاد این تکنولوژی در عرصه های نظامی باعث آن شده تا دولتها سرمایه گذاری های عظیمی را در این بخش انجام دهند ، شاید دیده نشدن این امواج توسط چشم مصلحتی بوده است از طرف خداوند ، چرا که در غیر اینصورت چشم ها از دیدن اینهمه تجمع امواج پیرامون خویش متحیّر می شدند، همانطوری که واضح است این تشعشعات رادیویی، ساتع شده از دستگاههای الکتریکی و دیجیتالی و کنترلی، خواه ناخواه با موجودات زنده برخورد فیزیکی خواهند داشت و بقول اسلوس(محقق قرن شانزدهم میلادی):
“هر ماده ای که قابلیت تاثیر بر فرآیندهای بیولوژیک را داشته باشد هم می تواند مفید باشد و هم مضر”
برخی از این امواج بقدری قوی هستند که حتی می توانند از دیواره های بسیار ضخیم بتونی چند متری هم عبور کنند چه رسد به بدن موجودات زنده که از بافتهای نرم ، تشکیل شده اند؛ این تشعشعات اگر بطور مستمر و دائم حتی با نیروی خیلی ضعیف هم باشند به احتمال قوی ممکن است باعث ایجاد اثرات منفی در موجودات شوند.
البته امواج الکترومغناطیس چیز تازه ای نیست؛ فقط سرعت استفاده از آن بسیار بالاست. موجودات از دیرباز با این امواج البته بصورت طبیعی سروکار داشته اند، جاذبه زمین ، جاذبه دیگر کرات و میدانهای مغناطیسی کوههای عظیم، در برخی نقاط جهان و مهمتر از همه مثلث برمودا و غیره ؛ از این قبیل بوده اند، اما مسئله ای که اینجا مطرح این است که این امواج طبیعی شاید بعلت برنامه ریزی دقیقشان، آسیب ها و ضررهایشان نیز حساب شده باشد و تاثیرات مهمی در حفظ چرخه عمر موجودات داشته باشند.
در قرآن کریم داریم؛ خداوند از خلقت آسمانها و زمین با ستونهای نامرئی خبر داده است ، که مسلما این ستونها همان امواج یا بقولی نیروهای الکترومغناطیس هستند که بصورت فوق العاده منظم طراحی و تنظیم شده اند یا در سوره “یس” آیه ۲۹ در رابطه با توصیف آخروالزمان داریم، که خداوند می فرمایند ” ان کانت صیحه واحده فاذا هم خمدون” یعنی ” نیست عقوبتشان جز یک صیحه عذاب آسمانی که به ناگاه همه هلاک شوند” ، آنطوری که اکنون برای ما قابل درک است این است که ، این صیحه می تواند نوعی از امواج الکترومغناطیس بصورت رادیویی یا ماکرویوی البته با پالسهای بسیار شدید و تند باشد.
کمی بعد از جنگ جهانی دوم آلمان غربی با ابراز تاسف از اینکه مردم منطقه ای در یکی از کوهستانهای دورافتاده فاقد برق و تلویزیون هستند ، بلافاصله برای آنها برق و تلویزیون فراهم کردند، قبل از ورود برق به این منطقه اهالی دارای بیشترین طول عمر در کره زمین بودند، اما ۱۰ سال پس از این ماجرا اهالی از بیماریهای ریوی ، قلبی ، کلیوی ، اعصاب و انواع سرطانها تلف می شدند.
بسیاری از محققان در زمینه طول عمر؛ سمت و سوی تحقیقات خود را به این طرف سوق دادند و با جدیت بیشتری این اثرات را مورد کنکاش قرار داده اند.
خلاصه اینکه همه موجودات و بخصوص ما انسانها در وضعیتی برگشت ناپذیر قرار گرفته ایم ، چراکه اکنون در جهان میلیونها ایستگاههای فرستنده رادیویی استاندارد و غیراستاندارد ساخته شده است و صدها ماهواره خارج از جو در حال بمباران تشعشعاتی کره زمین و حتی سایر کرات موجود در جهان است، علاوه بر همه اینها با اقدامات نادرست بشر لایه ازن ، آن محافظ خدا دادی موجودات از گزند تشعشعات فضایی بسیار خطرناک در حال نازک شدن و تخریب است، وجود دستگاههای پارازیت انداز بر روی برنامه های رادیویی و تلویزیونی در برخی کشورها ( که سرطان زا بودن شان مورد تایید دانشمندان است) و نیز وجود سیم کشی های فشار قوی غیر استاندارد در محدوده های شهری من جمله اقدامات غیر مسئولانه در این زمینه است، متاسفانه راه چاره ای نیست جز هماهنگ کردن خود با این وضعیت دشوار.
استفاده از دستگاههای با اطمینان ، بهره گیری از استانداردهای قابل اعتماد، محدود سازی ایستگاههای فرستنده غیر استناندارد در محدوده های شهری می تواند از جمله اقدامات ما باشد، باید توجه داشته باشیم وارد کردن هر چیز تازه بدلیل نو بودنش و تامین آسایش ظاهری و بدون توجه به جنبه های زیان آور شناخته شده و ناشناخته آن چندان کار افتخار آمیزی نمی تواند باشد، چراکه سلامتی ما مهمترین مورد است. پس از تحقیقات و آزمایشهای مکرر دانشمندان پی به اسرات زیان بار این مورد بردند لذا در سطح بین المللی دست به تدوین یک سری قوانین محدود کننده زدند، ترجمه زیر رابطه بین امواج الکترومغناطیس با سلامتی انسان و نیز قابلیتهای استانداردهای موجود را تحت بررسی قرار می دهد.

امواج الکترومغناطیس و سلامتی انسان :
حدودا ده سال قبل تنها منبع امواج الکترومغناطیس که بیشتر با آن مواجه می شدیم گرماخانه های میکروویو بودند. اما امروزه همه ما درحالیکه بی سیم های دیجیتالی و موبایل ها در دستمان است و یا اینکه پیجرهای فرستنده و گیرنده اطلاعات را به کمرمان بسته ایم در حال امرار معاش هستیم. از کامپیوترها و سایر وسایل جانبی آن نظیر چاپگرها (PRINTER) ، اسکنرها و اینفررد (INFRARED) ، بلوتوس و خیلی موارد دیگر بصورت مستمر استفاده می کنیم.
امروزه با وجود تراکم های مغناطیسی ما هنوز از همان استانداردهای قدیمی و البته ناکافی برای محاسبات تشعشعات رادیویی و ماکروویوی استفاده می کنیم. این استانداردها و قراردادها از نتایج تجارب بدست آمده در دهه بعد از جنگ جهانی دوم بدست آمده است. بعضی از آن قرار دادها برای مطالعه هایی در سطح پایین و اثرات بیولوژیکی متمرکز و محدود طراحی شده بودند و هیچ پیوندی با گرما نداشتند. اما تئوری الکترومغناطیس و ده ها تجربه دیگر بطور آشکار نشان داد که میادین مغناطیسی و رادیویی و ماکروویوی می توانند سلولها را بصورت مکانیکی و بدون ایجاد گرمای قابل توجه تحت تاثیر قرار دهند.
این قرار دادها در اواخر سال ۱۹۸۰ میلادی بوسیله انیستیتوی آمریکایی بنام IEEE طراحی شد. سایر قرارداد ها و استانداردها بر این اساس هستند که اگر تشعشعات رادیویی سلولهای زنده و بافتها را تحت تاثیر قرار دهند در اینصورت این فرآیند از طریق گرمایش بافت ها انجام می گیرد. بعضی از استانداردها و قراردادها به نامهای IEEE/ANS1 وجود دارند که پرتوافکنی خود را به جای اینکه در بعضی از قسمتهای بدن مثل سر یا لب انجام دهند، بر روی کل بدن اعمال کرده اند. این استانداردها که کل بدن را در بر گرفته اند و بر اساس گرما می باشند برای پرتوافکنی حداکثر مجاز به روی افرادی که در اطراف امواج رادیویی کار می کنند نظیر سربازان یا فروشندگانی که در اطراف رادار کار می کنند یا تکنسینهایی که در مراکز اصلی موبایل کار می کنند استفاده می شوند.
از این استانداردها برای طراحی آنتهای ارتفاعات که جریانات بی حفاظ را محدود می کنند نیز استفاده می شود. پیوند ممکن بینرادیو و ماکروویو که شکلی از تابش تشعشع رادیویی هستند و سلامتی بشر، باعث ایجاد موضوعات پیچیده و بحث انگیز در علم فیزیک و زیست شده است.
من نمی توانستم تمام این موضوعات پیچیده را در یک مقاله کوچک گرد آوری نموده و ذکر نمایم. بهرحال شواهد علمی زیادی موجود است مبنی بر اینکه استفاده بلند مدت از پرتوهای تابشی مثل انواع امواج رادیویی ، حداقل باعث ایجاد تغییرات ناچیزی در حرکت و کارکرد و نیز تغییراتی در ساختار مولکولها و سلولهایی در بافتهای زنده می شود. این شواهد امکان تحت تاثیر قرار گرفتن سلامتی افراد را در مقابل پرتو افشانی افزایش می دهد.
فیزیک مربوط به این موضوع با این حقیقت که همه چیزها زنده امواج الکترومغناطیسی را جذب و پخش می کنند، شروع به فعالیت کرد. در طی این روند آنها در سطح مولکولی، میدانهای الکترومغناطیسی را به نیروی مکانیکی تبدیل کردند. بدن ما پر از یونهای پایان ناپذیر در هسته سلولهای موجود در ماهیچه ها است. به علاوخ بیشتر مولکولهای معمولی بدن که شمال آب می باشند دارای توزیع و پخش بی رویه ی سوخت هستند.بنابراین آنها بوسیله میادین الکتریکی و یا میادین مغناطیسی که ناشی از حرکت یونها و مولکولها می باشند، تحت تاثیر قرار می گیرند.
پس میادین الکترومغناطیسی می توانند بطور فیزیکی حرکت کنند یا تطبیق یابند و یا حتی توزیع و پخش مولکولها و یونها را در بدن تغییر دهند. همچنین آنها می توانند میزانی از واکنشهای شیمیایی و توانایی مولکولها برای عبور از غشای پوستی را تحت تاثیر قرار دهند.
به علاوه اگر شتاب بار الکتریکی که نتیجه پیشرفت سریع پالسهای رادار می باشد رخ دهد باعث می شود که خود بافتهای بدن ، انرژی داخل بدن را بازتاب و پخش کنند که این یکی از اثرات پیچیده و شدید امواج رادیوی می باشد.
پیوند ممکن میان مولکول یا تاثیرات سلولی و سلامتی بشر موضوعی بحث انگیز می باشد. اما تعدادی از کارشناسان در مورد انسداد سلولهای خونی مغز مشغول انجام مطالعات می باشند. این مجموعه ی فیزیولوژیکی که شامل خطوط دفاعی ابتدایی و اولیه و همچنین حالت مویینگی در مغز می باشد ، مغز و سیستم های عصبی مرکزی را از عناصر خارجی و زیان بار حفظ می کند. موانع موجود بنظر می رسد که تراکم یونها را در بافتهای مغزی کنترل می کنند. تشعشعاتی که باعث حرکت و یا تغییراتی در یونها و مولکولها هستند می توانند قوی و نیرومند شوند، زمانیکه از طریق پالسهای الکترومغناطیسی که خیلی تیز و شدید اند ایجاد شوند. یکی وضعیت که باید به آن اشاره کنیم، رادار اخطار دهنده زود هنگام که با نیروی هوا کار می کند بنام سیستم “PAVE PAWS” شناخته می شود.
در سال ۱۹۹۴ “ریچارد آلبنز” محقق در مورد اساس سیستم های نیروی هوایی ، گزارش داد که پالسهای الکترومغناطیسی با موج کوتاه ، از نوع ساتع شونده بوسیله “PAVE PAWS” و رادارهای هم فاز مشابه ممکن است باعث ایجاد آسیبهای مکانیکی از طریق آنچه که پیش ماده و لازمه تشعشع نامیده می شود ، شود.
در طی یک دوره معین این چنین نتیجه گیری شده است که انفجارهای ثانویه رادیویی در داخل بافتهای زنده زمانیکه بوسیله پالسهای رادار ضربه می خورند ، اتفاق می افتد.
پیش ماده تشعشع یکی دیگر از منابه بالقوه و ثانویه هست، که باعث آسی باذفت می شود، که در استانداردهای پرتودهی نادیده گرفته شده است. “ریچارد آلبینز” در نشریه اش در سال ۱۹۹۴ میلادی نوشت : « نویسنده تابش مجازی را برای چنین پیش ماده ها و پالسهایی توصیه می کند.»
مطالعه دیگری که در مدت زمان بسیار کمی عنوان جهانی بخود گرفت و در ۲۰ ژوئن ماه قبل منتشر گردید ، یک موضوع دیگری را بیان کرد. یک سیستم واقع در سازمان هسته ای و رادیویی ایمنی در فنلاند گزارش داد که « تشعشعات موبایل بر روی صد گونه از پروتئینهایی که در سلولهای رشد یافته در آزمایشگاه که از خون شناور انسان گرفته شده است اثر می گذارد. »
رهبر این تیم بنام “دارویز لیزین” نتیجه این گزارش را در رابطه با سلامتی انسان ۱۰۰% تایید نکرد ، اما این فرضیه را مبنی بر اینکه یکی از مولکولهای تحت تاثیر که پروتئین ” hsp27 ” نامیده می شود، ممکن است همانند کلیدی باشد که شکافها را در انسداد خونی مغز باز کند و یا اینکه اجازه دخولهای چیزهای خارجی و زیان آور را به درون ممنوعه مغز بدهد.
نتایج مهم دیگری از طرف “هنری” که در دانشگاه “واشنگتون” در قسمت مهندسی کار می کند بدست امده است. “هنری” مدرکی بدست آورده است مبنی بر اینکه تاثیرات بیولوژیکی به وسیله جذب تشعشعات بافتهای ساتع کننده در سطح پایینی به اندازه ۰/۰۰۱ و با تراکم بسیار زیاد در حدود یک سانتی متر گالروواتا. این مقادیر بطور قابل توجهی از استانداردهای مجاز هم کمترند ، اثرات شامل آسیبهایی به DNA موجود در سلولها، افزایش انتشار کلسیم به داخل سلولها و کاهش تقسیمات سلولی بعد از تابش تشعشعات می باشند.
ما شواهد تجربی محکمی برای انتقاد و سوال در مورد اعتبار و درستی استانداردهای تنظیم شده داریم که فقط تاثیرات گرمایی را به حساب می آورند. ادامه استفاده از استانداردهایی که بر اساس میانگین تابش امواج رادیویی و تشعشعات برروی همه قسمتهای بدن حیوانات می باشد، یکی بی مسولیتی به مار می اید. و مهمتر از اینها که قسمت اعظمی از آسیبهای بافتی انجام شده بود قبل از اینکه یک حیوان آزمایشگاهی تغییرات رفتاری از خود نشان دهد یا اینکه در اثر تغییرات گرمایی بمیرد.
بعد چه؟ ما باید استانداردهای ایمنی خود را اصلاح نماییم و از استانداردهای محافظه کارانه جدید که از همه نتایج در دسترس استفاده می کند بهره گیریم و نه از قرارداده هایی که فقط از اطلاعات و داده های ابتدایی استفاده می کند. صنعت ارتباطات که در حال تکذیب می باشد با این واقعیات روبرو می شود. گروههای متخصص نظیر استانداردهای IEEE باید با U.S کار کنند. دولت ها و آزانسهای بین المللی هم اطمینان خاط داده اند که مطالعات دراز مدت و سطح پایین با تاثیرات غیر گرمایی در حال انجام است.
کنگره U.S باید فعالیت و ضروریت این مطالعات را تشخیص دهد و آنها را به زمانی که قانونی قانونی در صنعت ارتباطات ایجاد می شود و یا اصلاح می وشد به تعویق نیندازد.
برای بسیاری از ما موبایل بخش اجتناب ناپذیر زندگیمان شده است و ارتباطات ما را پراکنده کرده است و حال هیچ راه برگشتی نداریم ولی این حق را داریم که انتظار داشته باشیم که قراردادهای موجود لااقل سلامت زندگیمان را حفظ کنند.

امواج الکترومغناطیس و سلامتی انسان ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع : هوپا

اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک (به انگلیسی: Photoelectric effect) پدیده‌ای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون، بعد از جذب انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی مانند پرتوی ایکس و یا انوار مرئی، از ماده گسیل می‌شود.

اثر فوتوالکتریک
علم فیزیک – اثر فوتوالکتریک

این پدیده همچنین به اثر هرتز معروف است و این به خاطر کشفش توسط هاینریش هرتز است (هرچند امروزه این لفظ بلااستفاده می‌باشد). اثر فوتوالکتریک با فوتون‌هایی با انرژی پایین در حدود چند الکترون‌ولت مشاهده می‌شود. اگر فوتون به اندازهٔ کافی انرژی بالا داشته باشد (در حد چند کیلو الکترون‌ولت) پدیدهٔ دیگری به نام Compton scattering و اگر انرژی آن در حد چند مگا الکترون‌ولت باشد پدیدهٔ دیگری به نام Pair production رخ می‌دهد. مطالعهٔ پدیدهٔ فوتوالکتریک منجر به گام‌های مهمی در درک حقیقت کوانتومی نور شد.

این اثر یکی از بخش‌های مهم فیزیک است که در سال ۱۹۲۱ آلبرت اینشتین به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک گرفت.

تاریخچه

اثر فوتوالکتریک توسط هاینریش هرتز در سال ۱۸۸۷ در جریان آزمایش‌هایی کشف شد که هدف عمده آنها تأئید پیشگویی‌های نظری ماکسول در مورد وجود امواج الکترومغناطیسی حاصل از جریان‌های الکتریکی نوسانی بود. اثر فوتوالکتریک پدیده‌ای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون، بعد از جذب انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی مانند پرتوی ایکس و یا انوار مرئی، از ماده گسیل می‌شود. ما در این متن لفظ فوتوالکترون را به این الکترون گسیل شده اطلاق می‌کنیم.

مشاهدات اولیه

در ۱۸۳۹، الکساندر ادموند بکرل پدیدهٔ فوتوالکتریک را در یک الکترود مشاهده کرد، الکترودی که در داخل یک محلول شیمیایی یونی قرار داشت و محلول در معرض نور قرار گرفته بود. در ۱۸۷۳ میلادی اسمیت فهمید که سلنیوم یک مادهٔ نور-هادی است. ماده‌ای که مقاومت الکتریکی ان با شدت روشنایی تغییر می‌کند.

دهانهٔ جرقهٔ هرتز (hert’s spark gap)

در ۱۸۸۷ هاینریش هرتز، پدیدهٔ فوتوالکتریک و تولید و دریافت امواج الکترومغناطیسی را مشاهده کرد. او این مشاهدات را در مجلهٔ annalen der physik منتشر کرد. دستگاه گیرندهٔ امواج الکترومغناطیسی که او ساخته بود از یک سیم پیچ و دو گوی کوچک که در فاصلهٔ بسیار کمی از هم قرار داشتند تشکیل شده بود. زمانی که نوسانات الکترومغناطیسی در سیم پیچ باعث به وجود آمدن جریان الکتریکی در مدار گیرنده می‌شدند، آنگاه سیم پیچ که هر یک از دو سیم آن به یکی از این گوی‌ها متصل بود، این گوی‌ها را به طور متناوب دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌کرد و در نتیجه این بارهای الکتریکی شارج شده در گوی‌ها، در هوا تخلیه الکتریکی می‌شد (و این با ایجاد جرقه قابل دید بود) و آنگاه بود که هرتز می‌فهمید دستگاه گیرنده در حال دریافت امواج الکترومغناطیسی است. ما این گوی‌ها را دهانه جرقه می‌نامیم. او دستگاه گیرنده را در جعبه‌ای تاریک قرار داد تا جرقه‌ها را بهتر ببیند. به هر حال او متوجه شد که وقتی در جعبه بین گیرنده و فرستنده یک دیوارهٔ شیشه‌ای قرار می‌دهیم، ماکزیمم طول جرقه کاهش می‌یابد. و این بدان خاطر است که اگر شیشه قرار نداشت دوگوی پرتوی فرابنفش تولید شده در گیرنده را جذب می‌کردند و انرژی آن الکترون را در پرش از سطح گوی‌ها یاری می‌کرد. وقتی شیشه برداشته شد طول جرقه باید افزایش پیدا می‌کرد. او هیچ کاهشی را در طول جرقه مشاهده نکرد وقتی به جای شیشه، کوارتز را قرار داد. و این بدان خاطر است که کواتز نمی‌تواند از عبور امواج فرابنفش جلوگیری کند حال آنکه شیشه دارای چنین خاصیتی است. هرتز ماه‌ها تحقیق را به پایان رساند و نتایجی که به دست آورده بود را گزارش کرد. اما او تحقیق روی این پدیده را بیش از این ادامه نداد و نه حتی تلاشی نکرد تا بفهمد که این پدیده از کجا آمده.

جی. جی. تامسون:الکترون

در سال ۱۸۹۹، تامسون روی پرتوی فرابنفش در لامپ تولید پرتوی ایکس تحقیق می‌کرد. متاثر از کارهای جیمز کلارک ماکسول تامسون دریافت که پرتوهای کاتدی از ذرات دارای بار منفی تشکیل شده‌اند که بعدها این ذرات الکترون نام گذاری شد اما تامسون آنها را کورپوسل(corpuscles) می‌خواند. در این تحقیق تامسون دو صفحهٔ فلزی (الکترود) را در یک لولهٔ خلاء قرار داد و آن را تحت تابش فرکانس بالا قرار داد. تامسون فکر می‌کرد که میدان الکترومغناطیسی در حال نوسان اتم را نیز مجبور به نوسان می‌سازد و بعد از رسیدن به یک دامنه خاص که توسط تشدید نوسان اتم به آن می‌رسیم، اتم یک کورپوسل زیر اتمی از خود گسیل می‌دارد و میزان آن جریان را تامسون اندازه می‌گرفت. مقدار این جریان با رنگ و شدت تابش متغیر بود. در شدت تابش بالاتر و یا فرکانس‌های بالا جریان هم بیشتر می‌شد.

نیروی موجی

 
یک موتور فوتو الکترونیک US685957 که اشعه روی یک رسانای عایق‌دار تابیده می‌شود که به یک خازن متصل است. خازن شارژ الکتریکی می‌کند

نیکلا تسلا پدیدهٔ فوتوالکتریک را در سال ۱۹۰۱ توصیف کرد. او این پرتوها را به عنوان نوسان اتر با طول موجی کوچک که اتمسفر را یونیزه می‌کرد در نظر گرفت. در پنجم نوامبر ۱۹۰۱ او گواهینامه ثبت اختراعی را از اداره ثبت اختراعات آمریکا(US Patent) دزیافت کرد که شارژ و دشارژ یک رسانای فلزی را با این پرتوها توسط نیروی موجی توصیف می‌کرد. تسلا از این پدیده برای شارژ الکتریکی یک خازن توسط یک رسانا استفاده کرد. این وسیله به یک موتور پله‌ای که توسط جریان متناوب فوتوالکتریک کار می‌کند و توسط تسلا به ثبت رسیده را نشان می‌دهد.
در حقیقت یک صفحهٔ فلزی صیقلی که تحت تابش انرژی موجی قرار دارد (مانند نور خورشید) دارای بار مثبتی خواهد شد اگر الکترون گسیل کرده باشد. وقتی صفحه دارای بار مثبت می‌شود، خازن نیز تحت تاثیر میدان الکتریکی ایم بار مثبت دارای بار منفی می‌گردد و بنابراین جریانی در دو سر خازن به وجود می‌آید.

مشاهدات ون لنارد

در ۱۹۰۲، فیلییپ آنتوان ون لنارد، مشاهده کرد که انرژی الکترون را می‌توان با تغییر فرکانس نور ورودی تغییر داد. او از یک لامپ قدرتمند قوسی استفاده کرد، چیزی که او را قادر می‌کرد تا تغییرات شدید در شدت تابش را مورد بررسی قرار دهد و به اندازهٔ کافی نیرو داشت تا بتواند روی تغییرات پتاسیل و در نتیجه تغییرات فرکانس نور را مورد بررسی قرار دهد. آزمایش او به طور مستقیم پتانسیل الکتریکی را اندازه می‌گرف و نه انرژی جنبشی الکترون را. او رابطهٔ انرژی الکترون را با ماکزیمم ولتاژ قطع به دست آورد. او همچنین فهمید که ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون با فرکانس نور مرتبط است. برای مثال افزایش فرکانس پرتوی ورودی، افزایش ماکزیمم انرژی جنبشی محاسبه شده برای الکترون تحت عمل آزادسازی را نتیجه می‌دهد-پرتوی فرابنفش نیاز به پتانسیل قطع بیشتری نیاز دارد تا جریان را در مدار از کار بیندازد تا نور آبی. اما نتیجهٔ مشاهدات ون لنارد به خاطر سختی انجام آزمایش کیفی بود نه کمی زیرا آزمایش باید روی یک صفحه فلزی بسیار صیقلی انجام می‌شد تا اینکه نتایج قدری دقیق تر گردند، اما آن در چند دقیقه اکسید می‌شد حتی در خلاء جزئی که او ایجاد کرده بود. جریانی که توسط الکترون گسیل شده از سطح به دست می‌آمد نیز به شدت نور مربوط می‌شد. با دو برابر شدت تابش دو برابر الکترون گسیل می‌شد اما ون لنارد چیزی از فوتون نمی‌دانست.

اینشتین: نور کوانتومی

توصیفات ریاضی البرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ میلادی، از اینکه چگونه اثر فوتوالکتریک به‌وسیلهٔ جذب کوانتوم نور (چیزی که بعدها فوتون نام گرفت) پدید می‌آید، در مقاله‌ای با عنوان «دیدگاه ابتکاری در باب تولید و تبدیل نور» ارائه شد. این مقاله توصیف ساده‌ای را از کوانتوم نور یا همان فوتون بیان می‌کرد و نشان داد که چگونه این پدیده را به عنوان اثر فوتوالکتریک توصیف کنیم. توصیف سادهٔ او بر این حساب که جذب یک کوانتوم منفرد از نور بود، توانست خصوصیات این پدیده و فرکانس آستانه را توجیه کند. تفسیر انیشتین از پدیدهٔ فوتوالکتریک برای او جایزهٔ نوبل را در سال ۱۹۲۱ به ارمغان آورد.

ایدهٔ کوانتومی بودن نور با قوانین منتشر شدهٔ ماکس پلانک از تابش جسم سیاه آغاز شد («در باب قانون توزیع انرژی در یک طیف عادی»،annalen der physik ۴(۱۹۰۱)) که با درست فرض کردن اینکه نوسان‌های هرتز فقط می‌توانستند در انرژی E که با فرکانس f مرتبط است موجود باشند، توسط فرمولE = hf. با درست فرض کردن اینکه نور حقیقتاً از بسته‌های جدای انرژی تشکیل شده، انیشتین معادلات پدیدهٔ فوتوالکتریک را نوشت که با آزمایش‌ها مطابق بودند (معادلات توضیح می‌دادند که چرا انرژی یک الکترون فقط به فرکانس پرتوی ورودی مرتبط بود و نه به شدت تابش، یک منبع فرکانس پایین هیچ فوتونی با انرژی کافی از خود گسیل نمی‌کرد تا یک الکترون را از جای بکند). این یک گام نظری بزرگ بود و حقیقت کوانتومی نور بسیار مستحکم بوده و هست. ایدهٔ کوانتومی بودن نور با تئوری موجی نور که نظریه‌های ماکسول را دنبال می‌کرد در تضاد بود. نظریه‌های ماکسول که فرض بخش پذیری (قابلیت تقسیم شدن) بینهایت انرژی در یک سیستم فیزیکی را اثبات می‌کرد. حتی بعد از آزمایش‌های که نشان داد معادلات انیشتین برای پدیدهٔ فوتوالکتریک صحیح بودند، استحکام نظریهٔ کوانتومی بودن نور افزایش یافت، و این از وقتی بود که معادلات انیشتین معادلات ماکسول را نقض کرد، معادلاتی در آن هنگام دیگر به طور کامل درست فرض شده بود .
کارهای انیشتین پیش بینی کرد که انرژی یک الکترون جداشدهٔ منفرد با فرکانس پرتوی ورودی یک رابطهٔ خطی دارد، یعنی با افزایش یکی دیگری هم افزایش می‌یابد، شاید به طور شگفت آوری که تا آن هنگام هنوز تجربه نشده بود. در سال ۱۹۰۵ تمامی این مفاهیم درک شد اما نه از طریق آزمایش. تا اینکه در سال ۱۹۱۵ رابرت اندروو میلیکان نشان داد که انیشتین درست می‌گفت.

الکترون در سوال «ذره‌ای یا موجی؟

اثر فوتوالکتریک به پیش برد مفهوم طبیعت دوگانه نور، که نور امواج و ذرات را در شرایط متفاوت نشان می‌دهد، کمک بسزایی کرد. این پدیده از طریق توصیف کلاسیک نور به عنوان موج غیر قابل درک بود، زیرا که انرژی الکترون گسیل شده به شدت تابش بستگی نداشت. این تئوری کلاسیک پیش بینی کرده بود که الکترون می‌تواند در طول یک زمان مشخص انرژی دریافتی را انباشته کرده و بعد گسیل شود. برای اینطور تئوری‌های کلاسیک که در یک شرط پیش پرشده کار می‌کند لازم به سماجت روی خود ماده می‌باشد. ایدهٔ پیش پرشدگی در کتاب میلیکان (الکترون مثبت و منفی) و در کتاب کامپتون و آلیسون (پرتوی ایکس در تئوری و آزمایش) بحث شده‌است.

موارد استفاده فوتو دیودها و فوتو ترانزیستورها

سلول‌های خورشیدی که برای تولید انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دیودهای حساس به نور، هرکدام به نوعی از پدیدهٔ فوتوالکتریک استفاده می‌کنند، اما نه با الکترونی که از ماده جدا بشود. در نیم هادی‌ها، نور حتی با انرژی پایین، مانند انوار مرئی می‌توانند الکترون‌ها را از نوار ظرفیت جدا کرده و آنها را به نوار رسانش با انرژی بالاتر انتقال دهند، جایی آنها با تحت کنترل بودن می‌توانند در یک ولتاژ متناسب با گاف انرژی جریان الکتریکی نولید کنند.

سنسورهای تصویر

دوربین‌های تلویزیونی در اوایل دورهٔ ظهور تلویزیون از پدیدهٔ فوتوالکتریک استفاده می‌کردند. انواع دوربین‌ها از مواد هادی حساس به نور استفاده می‌کنند.

حساسه‌های سیلیکونی تصویر یا همان تراشه‌های CCD که به طور بسیار زیاد در دوربین‌های موبایل استفاده می‌شود بر پایه نوعی از اثر فوتوالکتریک طراحی شده که در آن فوتون، الکترون را از نوار ظرفیت خارج می‌کند که در داخل خود سیستم جای دارد و نه در خارج آن، یعنی هیچ الکترونی از سیستم خارج نمی‌گردد.

الکتروسکوپ برگه طلا

علم فیزیک – اثر فوتوالکتریک
 
الکتروسکوپ برگه طلا

این الکتروسکوپ برای تشخیص الکتریسیته ساکن طراحی شده، بار الکتریکی قرار داده شده روی کلاهک، روی میله و برگه پخش می‌شود، و چون هردو بارهای هم نام دارند، میله و برگه هر دو یکدیگر را می‌رانند. و این باعث دور شدن برگه از میله می‌شود. الکتروسکوپ یک وسیلهٔ مهم برای توجیه پدیدهٔ فوتوالکتریک می‌باشد. بیایید فرض کنیم که الکتروسکوپ با بار منفی بار دار شده‌است. و ما می‌توانیم بگوییم که یک به هم خوردگی تعادل بار روی میله موجود است (زیرا می‌دانیم که قبل از این میله خنثی بوده و جسم خنثی هم دارای تعادل بار مثبت و منفی می‌باشد و برای همین هم خنثی است). اما اگر ما نوری با فرکانس بالا روی کلاهک آن بتابانیم، بار منفی از بین می‌رود و برگه به سر جای خور بر می‌گردد و در کنار میله قرار می‌گیرد. و این بدان خاطر می‌باشد که فرکانس پرتو از فرکان آستانهٔ کلاهک بالاتر است و فوتونی که روی سطح فلز فرود می‌آید به اندازهٔ کافی انرژی دارد تا الکترون را از سطح کلاهک جدا کند و بار منفی آن را کاهش دهد. این می‌تواند الکتروسکوپ باردار منفی را بی بار کرده و آن را با بار مثبت شارژ کند. اما اگر پرتوی ورودی فرکانسی پایین‌تر از فرکانس آستانهٔ کلاهک داشته باشد، الکتروسکوپ هیچگاه بار منفی خود را از دست نمی‌دهد و مهم نیست که چه مقدار از زمان نور به کلاهک بتابد.

فضاپیماها

اثر فوتوالکتریک باعث بار دار شدن فضاپیمایی می‌شود که در فضا در معرض نور خورشید قرار دارد و این فضا پیما را با بار مثبت شارژ می‌کند. و این می‌تواند تا ده‌ها ولت انباشته شود. و می‌تواند یک مشکل بزرگ باشد زیرا که قسمت‌های دیگر فضاپیما که در سایه قرار دارد تا چند هزار ولت دارای پتانسیل الکتریکی می‌شود و همچنین دارای بار منفی است. و این برهم خوردگی توازن بار الکتریکی می‌تواند روی قطعات الکترونیکی فضا پیما تخلیه شود و آنها را از کار بیندازد. بار الکتریکی مثبت ساکن تولیدی توسط پدیدهٔ فوتوالکتریک دارای یک محدودیت است، زیرا یک جسم با بار الکتریکی بسیار زیاد الکترون‌ها را سخت تر از دست می‌دهد.

غبار ماه

نوری که از خورشید بر ماه می‌تابد، ذرات غبار سطح ماه را دارای بار الکتریکی می‌کند و ذرات غبار دارای بار حالا همدیگر را دفع می‌کنند و از سطح ماه بالا می‌روند. و این پدیده خود را همانند اتمسفری از غبار آشکار می‌سازد و به صورت لکه‌ای تاریک و یک تابش تاریک بعد از تابش نور خورشید به سطح ماه آشکار می‌شود و قابل دید است.
این پدیده اولین بار در خلال برنامهٔ نقشه برداری در دهه ۶۰ از سطح ماه عکس برداری شد. این گمان می‌رود که کوچکترین ذرهٔ غبار تا کیلومترها از سطح ماه بالا می‌رود و ان ذرات، زمانی که شارژ و دشارژ می‌شوند، روی آتشفشان‌ها حرکت می‌کنند.

ادوات دید در شب

در یک دوربین دید در شب فوتون‌ها به یک صفحهٔ گالیوم آرسنید برخورد می‌کنند و بر اساس پدیدهٔ فوتوالکتریک الکترون‌ها را مجبور به جداشدن از سطح فلز می‌کنند. و این الکترون‌ها بعد از انبوه سازی، به صوری آبشاری روی یک صفحه از فسفر می‌ریزند و آن را روشن می‌کنند.

نظریه

انیشتین در سال ۱۹۰۵ رابطهٔ زیر را پیشنهاد نمود که اکنون تایید شده‌است:

h\nu=W+K \!

که در آن

h ثابت پلانک
\nu بسامد موج
Wتابع کار فلز
K انرژی جنبشی الکترون

به طور خلاصه می‌توان گفت که اگر نوری از امواج الکترومغناطیسی بر سطحی (بویژه) فلزات بتابد از جسم مقداری الکترون خارج خواهد شد که مقدار الکترون‌ها به شدت نور تابیده شده و انرژی الکترون‌ها به طول موج (انرژی فوتونها) بستگی دارد و اگر انرژی فوتون از حد آستانه پایین‌تر بیاید دیگر الکترونی بیرون نخواهد رفت بررسی این مسئله با فیزیک کلاسیک غیرممکن است و به کمترین فرکانسی که اثر فیک روی می‌دهد (الکترون از سطح فلز جدا شود) را فرکانس قطع می‌گویند.

ولتاژ قطع

ولتازقطع ولتاژی است که اگر دو سر الکترود‌ها اعمال شود دیگر پدیده فوتو الکتریک به وجود نمی‌آید. از نظر عددی ولتاژ قطع برابر است با بیشینه انرژی الکترون های گسیل شده(برحسب الکترون ولت)است. یعنی زمانی که انرژی الکترون های گسیل شده ۱۰الکترون ولت باشد ولتاژ قطع۱۰ولت است.

ولتاژ قطع زمانی باعث توقف پدیده فوتو الکتریک می‌شود که نور تابشی به الکترود مثبت برخورد کند.

نتایج آزمایش بر روی اثر فوتوالکتریک

  1. برای یک فلز و فرکانس پرتوی ورودی، آهنگ افزایش تعداد فوتوالکترون‌های گسیل شده رابطهٔ مستقیم با شدت تابش پرتوی ورودی دارد.
  2. برای یک فلز، یک فرکانس مینیمم مشخصی از پرتوی ورودی وجود دارد که پایین‌تر از آن هیچ فوتوالکترونی گسیل نمی‌شود، که ما آن را فرکانس آستانه(فرکانس قطع) می‌نامیم.
  3. در فرکانس‌های بالاتر از فرکانس آستانه، ماکزیمم انرژی جنبشی هر فوتوالکترون گسیل شده به شدت تابش پرتوی ورودی وابسته نیست و البته به فرکانس پرتو بستگی دارد.
  4. شدت نور تاثیری بر ولتاژ قطع ندارد.(ولتاژ قطع توسط بسامد نور مشخص می‌شود.)
  5. فرکانس نور تاثیری بر بیشینه شرت جریان ندارد.(شدت نور تعیین کننده بیشینه شدت جریان است.)
  6. زمان تاخیر بین تابش پرتوی ورودی و گسیل فوتوالکترون خیلی کوچک است، کمتر از ۱۰^-۹ ثانیه.

میکروسکوپ الکترون عبوری

میکروسکوپ الکترون عبوری

چکیده مقاله

در پژوهش‌های مربوط به خواص مواد نانوساختاری میکروسکوپ الکترونی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین دستگاه‌هایی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اغلب مطالعات انجام‌شده روی خواص مواد نانوساختاری برای تعیین اندازه و شکل آنها از میکروسکوپ عبور الکترونی استفاده شده است. این روش اندازه و شکل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست می‌دهد که به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگی دارد. امروزه در بررسی خواص مواد نانوساختاری از میکروسکوپ عبور الکترونی با وضوح بالا (High-Resolution) استفاده می‌شود. علاوه بر تعیین شکل و اندازه ذرات به وسیله میکروسکوپ عبور الکترونی با استفاده از پراش الکترون و سایر سازوکارهای موجود در برخورد الکترون با ماده برخی ویژگی‌های دیگر مواد نانوساختاری مانند ساختار بلوری، ترکیب شیمیای را می توان بدست آورد.

متن مقاله

مقدمه
خواص مواد نانوساختاری به شکل و اندازه آنها بستگی دارد و از این‌رو مطالعه پیرامون شکل، اندازه و آرایش مواد نانوساختاری از نظر فهم پدیده‌های موجود و درنهایت استفاده از آنها در کاربردهای مختلف ضروری است. روش‌های مختلفی برای تعیین شکل و اندازه ذرات به کار می‌رود که ازجمله آنها می‌توان به میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، طیف‌سنجی عبور نوری، پراش اشعه X و مانند آن اشاره کرد. برخی از این روش‌ها شکل و اندازه ذرات را به طور مستقیم به دست نمی‌دهند. برای مثال در پراش اشعه X اندازه ذرات از رابطه زیر به دست می‌آید:

 

که رابطه‌ فوق برای تعیین اندازه نانوذرات دقیق نیست و در اندازه‌های پایین دارای خطای قابل ملاحظه‌ای نسبت به مقادیر واقعی است. این روش برای نانوذرات غیربلوری نیز مناسب نیست. از طیف عبور نوری مواد نانوساختاری نیز می‌توان برای تعیین اندازه ذرات استفاده کرد که روش اندازه‌گیری و تعیین قطر ذرات پیچیده می‌باشد و برای برخی از مواد قابل استفاده نیست. باتوجه به مطالب فوق استفاده از روشی برای تعیین اندازه و شکل ذرات بادقت مناسب در حوزه پژوهش‌های مواد نانوساختاری بسیار مهم و مورد نیاز جدی است.
در پژوهش‌های مربوط به خواص مواد نانوساختاری میکروسکوپ الکترونی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین دستگاه‌هایی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اغلب مطالعات انجام‌شده روی خواص مواد نانوساختاری برای تعیین اندازه و شکل آنها از میکروسکوپ عبور الکترونی استفاده شده است. این روش اندازه و شکل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست می‌دهد که به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگی دارد. امروزه در بررسی خواص مواد نانوساختاری از میکروسکوپ عبور الکترونی با وضوح بالا (High-Resolution) استفاده می‌شود. علاوه بر تعیین شکل و اندازه ذرات به وسیله میکروسکوپ عبور الکترونی با استفاده از پراش الکترون و سایر سازوکارهای موجود در برخورد الکترون با ماده برخی ویژگی‌های دیگر مواد نانوساختاری مانند ساختار بلوری، ترکیب شیمیای را می توان بدست آورد.
برخی از روش‌های مورد استفاده در میکروسکوپ عبور الکترونی برای بررسی ویژگی‌های مواد عبارتند از:
● تصویربرداری (میدان تاریک و میدان روشن)
● پراش الکترون
● پراش الکترون با باریکه واگرا (SAD)
● تصویربرداری Phase-Contrast در (HRTEM)
● تصویربرداری Z-Contrast
● طیف‌نگاری پاشندگی انرژی اشعه X (EDS)
● طیف‌نگاری اتلاف انرژی الکترون (EBLS)
اساس کار میکروسکوپ عبور الکترونی
برخورد الکترون با ماده شامل سازوکارهای مختلفی می‌باشد که از مهم‌ترین آنها می‌توان به برخورد و تولید الکترون ثانویه پس‌پراکندگی و پیش‌پراکندگی تولید اشعه X و الکترون اوژه اشاره کرد. باتوجه به سازوکارهای موجود تحلیل نتایج هریک از این سازوکارها داده‌هایی را در مورد شکل و اندازه، ساختار و ترکیب شیمیایی ماده به دست می‌دهد. ابتدا نحوه اندرکنش الکترون- ماده و تصویربرداری میکروسکوپ عبور الکترونی را بررسی کرده و سپس به سایر روش‌های مورد استفاده ازجمله پراش الکترون و EDS می‌پردازیم.

برهم‌کنش‌های الکترون با اتم و تفنگ الکترونی
پرتو الکترونی به روش‌های مختلفی تولید می‌‌شود که از مهم‌ترین آنها می‌توان به گسیل ترمویونیک ( Thermoionic Emission ) و گسیل میدانی اشاره کرد. برای گسیل ترمویونیک به طور معمول از یک المان داغ استفاده می‌کنند که تا دمای حدود ۲۸۰۰ درجه کلوین گرم می‌شود. جنس المان اغلب از تنگستن یا LaB6 است. مجموعه المان را نسبت به شبکه‌های شتاب‌دهنده در پتانسیل منفی نگه می‌دارند و الکترون‌های تولیدشده در اثر پدیده ترمویونیک در پتانسیل بالا شتاب گرفته و انرژی بالایی کسب می‌کنند.

شکل۱- اساس گسیل ترمویونیک و تولید باریکه الکترونی

در روش گسیل میدانی از پدیده تونل‌زنی استفاده می‌‌شود. در این حالت با اعمال میدان بالا در سطح فلز و کاهش سد پتانسیل الکترون می‌تواند تونل زده و از سطح فلز خارج شود. در این صورت می‌توان شار بزرگی از الکترون ایجاد کرد. مقدار بار ایجادشده در این پدیده به میدان اعمال‌شده بستگی دارد. برای بدست‌آوردن بهره بالا برای تولید جریان باید از فلزی با نوک بسیار تیز استفاده کرد و برای جلوگیری از اکسیدشدن خلاء خیلی بالا نیز (Ultra High Vacuum) مورد نیاز است. در هر دو حالت الکترون‌های ایجادشده را می‌توان به کمک میدان مغناطیسی (که مجموعه مورد استفاده عدسی مغناطیسی نامیده می‌شود) کانونی کرده و باریکه الکترونی مناسبی تولید کرد. شکل (‌۲) نمونه‌ای از عدسی مغناطیسی مورد استفاده را نشان می‌دهد.  

شکل (‌۲) نمونه‌ای از عدسی مغناطیسی

در اثر برخورد باریکه الکترونی با ماده پدیده‌های متنوعی روی می‌دهد (شکل ۳) که انواع پراکندگی‌ها (Scattering) را شامل می‌شود که مهمترین آنها عبارتند از:
● پراکندگی الاستیک بدون تغییر انرژی تکانه الکترون تغییر می‌کند.
● پراکندگی غیرالاستیک که الکترون بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهد که شامل موارد زیر است:
● پراکندگی ناشی از تولید فوتون (کوانتای ارتعاشی شبکه)
● پراکندگی در اثر برخورد با بار آزاد سطحی در فلزات که پراکندگی پلاسمونی نامیده می‌شود.
● برانگیختگی الکترون والانس
● برانگیختگی الکترون‌های مدار داخلی ماده که در تولید اشعه X مشخصه ماده نقش دارد.
● جذب: در این حالت الکترون در برخوردهای پی در پی تمام انرژی خود را به ماده منتقل می‌کند.

شکل (۳) سازوکارهای موجود در برخورد باریکه الکترونی با ماده

در اثر برخورد باریکه الکترونی با ماده الکترون‌های ثانویه تولید می‌شوند. هرچند تفکیک الکترون‌های اولیه کم‌انرژی و الکترون‌های ثانویه عملا‌ً دشوار است. علاوه بر الکترون‌های ثانویه الکترون‌ها پس‌پراکنده‌شده نیز وجود دارند که برای تصویربرداری الکترونی روبشی از آنها استفاده می‌شود. الکترون‌ها در برخورد اولیه با ماده موجب برانگیختگی الکترون‌های ترازهای داخلی ماده می‌شوند. الکترون‌های برانگیخته‌شده به دو صورت به حالت پایه برمی‌گردند که عبارتند از:
تولید الکترون اوژه و تولید اشعه X که با اندازه‌گیری هرکدام از آنها می‌توان برخی از ویژگی‌های ماده را بدست آورد. در صورتی که تراز برانگیخته‌شده ‌تراز خارجی اتم باشد، الکترون با گسیل فوتون می‌تواند به حالت پایه برگردد. شکل (۴) شمایی از سازو کارهای موجود در برانگیختگی ترازهای انرژی در اثر برخورد الکترون را نشان می‌دهد.

. شکل (۴) شمایی از سازو کارهای موجود در برانگیختگی ترازهای انرژی در اثر برخورد الکترون

درابتدا باریکه الکترونی با انرژی بالا در یک تفنگ الکترون تولید می‌شود. باریکه تولیدشده را می‌توان به راحتی و به وسیله عدسی‌های مغناطیسی به مقدار مناسب کانونی کرد. بعد ازکانونی‌شدن باریکه الکترونی هم‌انرژی برای شروع آزمایش در دسترس است. باریکه الکترونی به نمونه مورد آزمایش که دارای ضخامت بسیار کمی است تابانده می‌شود و سازوکارهایی که پیشتر در مورد آنها صحبت شد، بسته به نوع ماده در ناحیه برخورد وجود خواهد داشت. همان‌گونه که در شکل به‌روشنی مشخص است آشکارسازهایی برای آشکارسازی و جمع‌آوری داده‌های مربوط به هریک از فرآیندهای موجود درنظر گرفته شده است.
شکل (۵) شمایی از اساس کار میکروسکوپ عبور الکترونی و قسمت‌های مختلف آن را نشان می‌دهد.

شکل ۵- اساس کار میکروسکوپ عبور الکترونی

در بیشتر میکروسکوپها EDS برای آشکارسازی اشعه X تولیدشده، EELS برای آشکارسازی تغییرات انرژی الکترون‌ها درنظر گرفته می شود. سایر آشکارسازها برای تصویربرداری از نمونه مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این دستگاه‌ها امکان آشکارسازی تغییرات پراش در مقطع نمونه و تصویربرداری از منطقه‌های مورد نظر در نمونه نیز وجود دارد.
در حالت تصویربرداری الکترون عبوری روبشی (STEM) باریکه‌ای با قطر ْA20-2 سطح نمونه را جاروب می‌کند. همزمان با روبش سطح نمونه داده‌های مختلف ازجمله اشعه X، الکترون‌های ثانویه و الکترون‌های پس‌پراکنده‌شده جمع‌آوری می شوند. استفاده از حالت روبشی برای تحلیل شیمیایی نمونه نیز قابل استفاده است.

شکل۶- شمایی از قسمتهای مختلف و مسیر باریکه الکترونی در میکروسکوپ عبور الکترونی

حالت‌های مختلف تصویربرداری
تصویربرداری به وسیله میکروسکوپ عبور الکترونی در حالت‌های مختلف انجام می‌شود که مهم‌ترین آنها عبارتند از:
● تصویربرداری معمولی
● تصویربرداری میدان تاریک
● تصویربرداری میدان روشن
می‌باشند. در میکروسکوپ‌های عبور الکترونی وضوح بالا علاوه بر حالت‌های فوق از مدهای دیگری نیز برای تصویربرداری استفاده می‌‌شود.
مسیر پرتوها در تصویربرداری معمولی در شکل (۷) آورده شده است. همان‌گونه که مشاهده می‌شود، از تمام پرتوهای عبوری برای ایجاد تصویر استفاده شده است. در این حالت نمی‌توان تصویری با وضوح بالا از نمونه تهیه کرد.

شکل ۷- مسیر پرتوها در تصویربرداری معمولی

در حالت میدان روشن (Bright-Field) تنها از پرتوهای پراشیده‌نشده برای تهیه تصویر استفاده می‌شود. شکل (۸) پرتوهای مورد استفاده در تصویربرداری در حالت میدان
روشن را نشان می‌دهد.
در این حالت الکترون‌های پراشیده‌ در تولید تصویر دخالتی ندارند و درنهایت وضوح تصویر افزایش می‌یابد. شکل (۹) پرتوهای مورد استفاده در تصویربرداری میدان تاریک را نشان می‌دهد. در این حالت تنها بخشی از پرتوهای پراشیده شده از نمونه برای تصویربرداری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالت تصویربرداری میدان تاریک اغلب از پرتوهای نشان‌داده شده در شکل (۹) استفاده می‌شود که برخی پرتوها در آن حذف می‌شوند. علاوه بر موارد فوق کنتراست‌های دیگری مانند کنتراست شیمیایی و فاز نیز استفاده کرد. با استفاده از روش‌های مختلف تصویربرداری علاوه بر شکل و اندازه ذرات می‌توان درمورد نابجایی‌ها و عیوب شبکه نیز داده‌هایی بدست آورد. در میکروسکوپ‌های TEM/STEM از روش بررسی هم‌زمان سیگنال‌ها سازوکارهای موجود برای تصویربرداری و انواع دیگر آنالیزهای ممکن استفاده می‌شود.‌‌‌‌‌

شکل۸- پرتوهای مورد استفاده در تصویربرداری در حالت میدان روشن

شکل۹- پرتوهای مورد استفاده در تصویربرداری میدان تاریک

روش‌های آماده‌سازی نمونه
آماده‌سازی نمونه برای میکروسکوپ عبور الکترونی یکی از مراحلی است که قبل از انجام آزمایش صورت می‌گیرد. با توجه به نوع ماده مورد آزمایش رو‌ش‌های مختلفی برای نمونه‌سازی وجود دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
● روش ساده‌ نشاندن مقدار کم ماده از بستر حاوی ذرات
● پولیش الکتریکی شیمیایی و مکانیکی
● سایش اتمی
● استفاده از میکروسکوپ‌های یونی با پرتو کانونی شده (FIB)
● اولترا میکروتومی برش لایه ی نازک از ماده که برای نمونه‌های بیولوژیکی و بافت بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد شکل(۱۰).

شکل۱۰- دستگاه اولترا میکروتومی برش لایه ی نازک از ماده که برای نمونه‌های بیولوژیکی

در هر یک از این موارد نگهدارنده خاصی مورد نیاز می‌باشد. در اغلب اوقات برای آنالیز ذرات و یا نانوساختارها از توری مسی پوشانده شده با لایه کربنی در حد نانومتر استفاده می‌کنند. در نهایت ضخامت نمونه تهیه شده باید کمتر از یک میکرومتر باشد. شکل (۱۱) نمونه‌هایی از توری مسی پوشانده شده با لایه کربنی را نشان می‌دهد

شکل۱۱- نمونه‌هایی از توری مسی پوشانده شده با لایه کربنی

پراش الکترونی
باریکه الکترونی در برخورد با نمونه بلوری پراشیده شده و نقش پراش حاوی نقاط روشنی یا دایره‌هایی هم‌مرکز دیده می‌شود که به ساختار بلوری نمونه بستگی دارد. شکل (۱۲) سازوکار ایجاد نقش پراش را نشان می‌دهد که ناشی از پراکنندگی الاستیک الکترون‌ها از اتم‌ها می‌باشد. در اثر پراش امواج الکترونی با یکدیگر تداخل کرده و در صورتی که شرط براگ:

که D ثابت شبکه بلور و زاویه براگ می‌باشد شکل (۱۲) برقرار باشد امواج الکترونی همدیگر را تقویت کرده و نقاط روشن نقش پراش ایجاد می‌شود. در صورتی که از نمونه‌های بس بلوری استفاده شود. نقش پراش های نقاط روشن به صورت دوایری هم‌مرکز دیده می‌شوند

شکل ۱۲- سازوکار ایجاد نقش پراش

با استفاده از نقش پراش و به کمک محاسبات و نرم‌افزارهای مناسب می‌توان ساختار نمونه را بدست آورد. برای بدست آوردن ساختار از نقش پراش الگوریتم‌هایی وجود دارد که می‌توان از مرجع [۱] استفاده کرد. شکل (۱۳) نقش پراش نمونه‌ایی از نقش پراش ساختار ده گوشی آلومینیم-نیکل-کبالت را نشان می‌دهد.

شکل ۱۳- نقش پراش نمونه‌ایی از نقش پراش ساختار ده گوشی آلومینیم-نیکل-کبالت

آنالیز EDS
همانگونه که در بخش‌های قبل اشاره شد در برخورد الکترون با ماده الکترون‌های تراز داخلی برانگیخته شده در فروافت به حالت پایه تولید فوتون اشعهx می‌نمایند. شکل (۱۴) شمایی از این سازوکار و خطوط طیفی را نشان می‌دهد. خطوط طیفی متعددی هستند که به سری‌های K و L و M معروف هستند.

شکل۱۴- شمایی از سازوکار و خطوط طیفی

در شکل(۱۵) تصویر میکروسکوپ عبور الکترونی

طول موج اشعه x تولید شده به جنس ماده بستگی دارد و می‌تواند معیار مناسبی برای آنالیز شیمیایی باشد. شدت اشعه x تولید شده با در نظر گرفتن احتمال رخ دادن سازوکار فوق می‌تواند آنالیز کمی‌تری را در دسترسی قرار دهد. آنالیز EDS را در SEM نیز می‌توان انجام داد ولی با توجه به ضخامت بالای نمونه درSEM پرتو الکترونی در قسمت وسیعی از ناحیه مورد نظر نفوذ کرده و مقدار متوسطی را بدست می‌دهد که برای آنالیز ساختارهای ریز مناسب نیست. برای آنالیز، پرتو x ایجاد شده شدت آن اندازه‌گیری می‌شود. در دستگاه‌های پیشرفته‌تر از آنالیز طول موج اشعه x (WDS) استفاده می‌کنند در این حالت با استفاده از بلور تنها به طول موج‌های مشخصی‌از اشعه x تولید شده اجازه عبور و آشکارسازی داده می‌شود. در شکل(۱۵) تصویر میکروسکوپ عبور الکترونی آورده شده است. مراجع.

۱٫ www.matter.org.uk
۲٫ B. Fultz and J.M. Howe, Transmission Electron Microscopy and Electron Diffraction of Materials, Springer, 2001

۱

منبع مقاله :