الفروع الرئيسية
المعذره على التاخير
نتابع ماكتب عن الفيزياء العامه
الفروع الرئيسية
توجد عدة فروع يتخصص فيها الفيزيائيون منها:
• الفيزياء النووية
• الفيزياء الذرية
• الفيزياء الجزيئية
• ميكانيكا الكم
• فيزياء الجسيمات
• فيزياء المواد المكثفة
• الفيزياء الفلكية
• الكسمولوجيا
الفيزياء النووية Nuclear physics
تعد الفيزياء النووية جزء من الفيزياء و الذي يهتم بدراسة نواة الذرة من حيث سبر الجسيمات الأولية في قلب النواة "البروتونات و النترونات " وتفاعلها فيما بينها بالاضافة إلى تفسير وتصنيف خصائص النواة.
• إن ثلاثة قوى من القوى الرئيسية الأربعة في الطبيعة تلعب دوراً أساسياً في النواة ، هذه القوى هي : النووية الشديدة و الضعيفة بالاضافة إلى القوة الكهرطيسية. فالنواة تملك أسباب تماسكها بفضل القوة النووية الشديدة والتي تتم غالبا ً بتبادل بيونات ولكن التنافر الكهرطيسي بين الشحنات الموجبة في النواة " البروتونات " يعمل على ابعادها عن بعضها البعض وفقاً لقانون كولوم.
الأنشطار النووي Nuclear fission هي عملية انشطار نواة ذرة ما إلى قسمين او أكثر ويتحول بهذه العملية مادة معينة إلى مواداخرى وينتج عن عملية الأنشطار هذه نيوترونات و فوتونات عالية الطاقة( بالاخص اشعة جاما) ودقائق نووية مثل جسيمات ألفا alpha particles و أشعة بيتا beta particles. يؤدي انشطار العناصر الثقيلة إلى تولد كميات ضخمة من الطاقة الحرارية والإشعاعية.
تستعمل عملية الأنشطار النووي في أنتاج الطاقة الكهربائية في المفاعلات النووية كما تستعمل لانتاج الأسلحة النووية. ومن الموادالنووية الانشطارية الهامة والتي تستخدم كثيرا في المفاعلات الذرية مادتي اليورانيوم-235 و بلوتونيوم-239. والتي هي عماد الوقود النووي . وفي الوقود النووي يتم ما يسمى بالتفاعل المتسلسل حيث يصتدم نيوترونا مع نواة ذرة اليورانيوم-235 فتنقسم إلى قسمين ويصاحب هذا الانقسام انطلاق عددا من النيوترونات يقدر ب 2و5 نيوترونا في المتوسط . ويمكن لتلك النيوترونات الناتجة أن تصتدم بأنوية أخرى من اليورانيوم-235 وتتفاعل معها وتعمل على انشطارها . بذلك يزيد معدل التفاعل زيادة تسلسلي قد يؤدي إلى الانفجار إذا لم ننجح في ترويضه والتحكم فيه .
وفي المفاعلات النووية التي تستخدم لانتاج الطاقة الكهربائية يُستعمل اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 بنسبة 5و3 % في مخلوط أكسيد اليورانيوم لانتاج الطاقة. ويحتاج مفاعل نووي كبير يعمل بقدرة 1000 ميجاوات إلى نحو 100 طن من أكسيد اليورانيوم تكفيه لمدة ثلاثة سنوات . إلا أن الطريقة الاقتصادية لتشغيل المفاعل النووي تتطلب إيقاف تشعيل المفاعل كل سنة لمدة عدة أسابيع ، تجري خلالها أستبدال ثلث كمية الوقود النووي المستهلك بوقود جديد ، وكذلك لإجراء أعمال الصيانة والتفتيش عن أي خلل قد يحدث زمعالجة الخلل
تاريخ اكتشاف الانشطار النووي
كان إنريكو فيرمي أول من قام بتصويب النيوترونات على اليورانيوم عام 1934 ولكنه لم ينجح في تفسير النتائج. وقام العالم الكيميائي الألماني أوتو هان وزميلته ليزا مايتنر وزميلهما شتراسمان بتلك الأبحاث وقاموا بتحليل المواد الناتجة عن التفاعل . وكانت مفاجأة لم يستطيعوا أولا تفسيرها إذ أنهم وجدوا عناصر جديدة تكونت من خلال التفاعل . وكان أن أعادوا التجربة باستخدام يورانيوم عالى النقاوة ، فكانت النتيجة هي ما وجدوه من قبل وتكوّن عنصر الباريوم . والباريوم عدده الذري تقريبا نصف العدد الذري لليورانيوم . كان ذلك عام 1938 وبعدها بدأت الحرب العالمية الثانية واضطرت ليزا مايتنر مغادرة ألمانيا نظرا لاضطهاد النازية لليهود . وسافرت ليزا إلى السويد حيث كان أحد أقربائها يعمل هناك وهو روبرت فريتش . وقصت عليه نتائج تجربة اليورانيوم .
وفي مطلع عام 1939 فطن أتوهان وشتراسمان إلى تفسير التفاعل الذي حدث وانه انشطار لنواة ذرة اليورانيوم وتكون الباريوم ونشر نتيجة ابحاثه في المجلة العلمية. وفي نقس الوقت استطاعت مايتنر بمساعدة فريتش على تفسير تجربة اليورانيوم بأنها انشكار نووي ن واستطاعا الإثنان تكملة التفسير بأنه من خلال أنقسام نواة اليورانيوم يحدث فقدا في الكتلة بين وزن اليورانيوم ووزن الباريوم والمنتجات الأخري الناتجة عن الانقسام ، وقدرا تلك الكتلة بأنها نحو 1/5 من كتلة البروتون ، أي أن طاقة تقدر بنحو 200 MeV تتحرر من كل انقسام . وهي طاقة بالغة للغاية . وسافرا الأثنان بعد ذلك إلى الولايات المتحدة واجتمعا مع أينشتاين وقصا عليه نتيجة أبحاثهما .
وكانت مجموعة من العلماء تعمل في فرنسا تحت رئاسة فريدريك كوري زوج ماري كوري- مكتشفة البولونيوم - واكتشفوا أنه خلال انشطار نواة اليورانيوم ينطلق عدد من البيوترونات قدروه 5و3 في المتوسط إلا أنهم عدّلوا ذلك العدد إلى 6و2 نيوترونات في المتوسط لكل انشطار فيما بعد.
ولما عرف أينشتاين وزميله زيلارد بأمريكا نتائج مايتنر وفريتش بالإضافة إلي نتائج المجموعة الفرنسيةعن النيوترونات المصاحبة للانشطار قام أينشتاين وزيلارد بتوجيه خطابا إلى الرئيس الأمريكي أنذاك روزفيلت يعرفوه بتلك النتائج العلمية الخطيرة والتحذير من إمكانية سعي الألمان باستغلال تلك المعلومات لصنع قنبلة ذرية يكون لها مفعولا فظيعا ، خصوصا وأن الحرب قد بدأت في أوروبا بهجوم الألمان على بولندا. ووصل خطاب أينشتاين وزيلاد إلى الرئيس الأمريكي في يناير 1939 .
قامت الحكومة الأمريكية في البدء بتشجيع الأبحاث النووية ، وقام إنريكو فيرمي وكان يعمل في جامعة شيكاغو أنذاك ببناء أول كومة ذرية (atomic pile) مكونة من اليورانيوم والجرافيت ، واختار الجرافيت كمهدئ لسرعة النيوترونات ، ونجح في توصيل الكومة الذرية إلى الحالةالحرجة، وكان ذلك في ديسمبر عام 1942.
ثم دخلت الولايات المتحدة الحرب وكان هناك خوفا كبيرا من أن يركز الألمان بحوثهم لصناعة قنبلة ذرية ، فبدأت الولايات المتحدة مشروع مانهاتن عام 1942 بغرض انتاج السلاح النووي وعينت اوبنهايمر لرئاسة المشروع ،وجمع أوبنهايمر العلماء من جميع أنحاء البلاد للتركيز على ذلك العمل وكان العمل يسير بتكتم شديد. واتضح أن صناعة القنبلة الذرية يحتاج إلى اليورانيوم-235 عالى النقاوة ، كما توصلوا إلى أن عنصر البلوتونيوم-239 وهو من منتجات الكومة الذرية البي بناها فيرمي في جامعة شيكاغو له نفس خواص اليورانيوم-235 ، فعزم العاملون في مشروع مانهاتن على اتباع الطريقتين في نفس الوقت لضمان التوصل إلى صنع القنبلة . وكان أن قاموا بمشروع لتخصيب اليورانيومخ235 وفصله عن اليورانيوم-238، وقاموا في نفس الوقت بتوليد البلوتونيوم-239 في مفاعل نووي بنوه لذلك الغرض . وادت تلك المجهودات إلى انتاج قنبلتي هيروشيما و نجازاكي التي ألقيتا من الجو على اليابان في 6 أغسطس و 11 اغسطس 1945 ، واستسلمت على أثرهما اليابان وأنهت الحرب مع أمريكا .
تفاصيل عملية الأنشطار النووي
يختلف الانشطار النووي عن عملية التحلل الإشعاعي من ناحية انه يمكن السيطرة على عملية الأنشطار النووي خارجيا. تقوم النيوترونات الحرة الناتجة من كل عملية انشطار وهي في المتوسط 5و2 نيوترونا ، بالتفاعل مع اليورانيوم أو البلوتونيوم وتتسبب في انشطارها . وهذا بالتالى يؤدي إلى تحرير نيوترونات أخرى . وتستمر هذه السلسلة من التفاعلات التي تسمى تفاعل متسلسل .
يطلق على نظائر عناصر كيميائية لها القدرة على تحمل هذه السلسلة الطويلة من الأنشطارات النووية اسم الوقود النووي. من أكثر أنواع الوقود النووي استعمالا هي اليورانيوم ذو كتلة ذرية رقم 235 (يورانيوم-235) و بلوتونيوم ذو كتلة ذرية رقم 239 (بلوتونيوم-239) ، هذين العنصرين ينشطران بصورة بطيئة جدا تحت الظروف الطبيعية التي تسمى ب الانشطار التلقائي spontaneous fission وتاخذ هذة العملية التلقائية مايقارب 550 مليون سنة عمر النصف لليورانيوم . أما في المفاعل النووي فتجمع كمية من الوقود النووي فوق الكتلة الحرجة ويجري التحكم فيها بواسطة قضبان تتخللها من الكادميوم الماصة للنيوترونات . بذلك يمكن المحافظة على معدل سير التفاعل لانتاج الطاقة ومنعه من الانفلات واحداث الدمار .
تفاعل الاندماج النووي (يعرف أيضا بالـ تيرمونووي) هو،بالإضافة إلى الانشطار، أحد أهم أنواع التفاعلات النووية التطبيقية.
الاندماج النووي عملية تتجمع فيها نواتان ذريتان لتكوين نواة واحدة أثقل. ويلعب اندماج الأنوية الخفيفة مثل البروتون وهو نواة ذرة الهيدروجين و الديوترون نواة الهيدروجين الثقيل والتريتيون وهو نواة التريتيوم دوراً هائلاً في العالم وفي الكون، حيث ينطلق خلال هذا الاندماج كمية هائلة من الطاقة تظهر على شكل حرارة وإشعاع كما يحدث في الشمس، فتمدنا بالحرارة والنور والحياة. فبدون هذا التفاعل ما وُجدت الشمس وما وُجدت النجوم، ولا حياة من دون تلك الطاقة المسماة طاقة الاندماج النووي. وتنتج تلك الطاقة الهائلة عن فقد في وزن النواة الناتجة عن الاندماج النووي، وهذا الفقد في الكتلة يتحول إلى طاقة طبقاً لمعادلة ألبرت أينشتاين التي تربط العلاقة بين الكتلة والطاقة.
هذا التفاعل هو الذي يغذي الشمس وباقي النجوم الأخرى في الكون، ويمدهم بالحرارة والضوء.
فائدة الاندماج النووي تكمن في إطلاقه كميات طاقة أكبر بكثير مما يطلقه الانشطار. و بالاضافة إلى ذلك، فإن المحيطات تحتوي بشكل طبيعي على كميات كافية من الدويتريوم اللازم للتفاعل فإذا فلح الإنسان في ترويض تلك الطاقة لتغذية الكوكب بالطاقة لمدة آلاف السنين ، كما أن المواد المنبعثة عن الاندماج (خصوصا الهيليوم 4)، ليست مواداً مشعّة.
و على الرغم من العدد الكبير من التجارب التي تم القيام بها في كل أنحاء العالم منذ خمسين سنة، فإنه لم يتم التوصل إلى بناء مفاعل يعمل بالاندماج، ولكن الأبحاث في تقدم مستمر لغرض التوصل إلى ذلك . وكل ما اسطاع الإنسان التوصل إليه في هذا المجال جاء في المجال العسكري بإبتكار القنبلة الهيدروجينية
آلية الاندماج
يحدث تفاعل الاندماج النووي عندما تتداخل نواتان ذريتان. ولكي يتم هذا التداخل، لا بد من أن تتخطى النواتان التنافر الحاصل بين شحنتيهما الموجبتين (و تعرف الظاهرة بالـحاجز الكولومبي). إذا ما طبقنا قواعد الميكانيكا الكلاسيكية وحدها، سيكون احتمال الحصول على اندماج الأنوية منخفضا للغاية، بسبب الطاقة الحركية (الموافقة للهيجان الحراري) العالية جدا اللازمة لتخطي الحاجز المذكور. و في المقابل، تقترح ميكانيكا الكم ، و هو ما تؤكده التجربة، أن الحاجز الكولومبي يمكن تخطيه أيضا بظاهرة النفق ، بطاقات أكثر انخفاضا.
وبالرغم من ذلك، فإن الطاقة اللازمة للاندماج تبقى مرتفعة جداً، و هو ما يقابله حرارة أكثر من عشرات أو ربما مئات الملايين من الدرجات المئوية حسب طبيعة الأنوية. وفي داخل الشمس على سبيل المثال، يجري تفاعل اندماج الهيدروجين المؤين عبر مراحل إلى تولد الهليوم، في ظل حرارة تقدر ب 15 مليون درجة مئوية، ويحدث ذلك ضمن عدة تفاعلات مختلفة تنتج عنها حرارة الشمس . و تُدرس بعض تلك التفاعلات بين نظائر الهيدروجين بغرض إنتاج الطاقة عبر الاندماج مثل الديوتيريوم-ديوتيريوم أو الديوتيريوم-تريتيوم (انظر أسفله). أما في الشمس فتتواصل عملية الاندماج إلى العناصر الخفيفة ثم المتوسطة ثم ينتج منها العناصر الثقيلة مثل الحديد ، الذي يحتوي في نواته على 26 بروتون ونحو 30 من النيوترونات . و في بعض النجوم الأكثر كتلة عن الشمس، تتم عمليات اندماج لأنوية أضخم تحت درجات حرارة أكبر.
وعندما تندمج أنوية صغيرة، تنتج نواة غير مستقرة تسمي أحيانا نواة مركبة، ولكي تعود إلى حالة استقرار ذات طاقة أقل، تـُطلق جسيم أو أكثر (فوتون، نيوترون، بروتون، على حسب التفاعل)، و تتوزع الطاقة الزائدة بين النواة و الجسيمات المطلقة في شكل طاقة حركيّة. وطبقاً للرسم التوضيحي تنطلق نواة ذرة الهيليوم بطاقة قدرها 5و3 MeV وينطلق النيوترون بطاقة قدرها 14,1 MeV . وفي المفاعلات الاندماجية الجاري تطبيقها حاليا يجتهد العلماء للحصول على مردود جيد من الطاقة خلال الاندماج ، أي من الضروري أن تكون الطاقة الناتجة أكبر من الطاقة المستهلكة لتواصل التفاعلات و استغلال الحرارة الناتجة في إنتاج الطاقة الكهربائية. كما يجب عزل محيط التفاعل و مواد المحيط في المفاعلات الاندماجية.
عندما لا يوجد أي وضع مستقر، تقريبا، قد يكون من المستحيل أن نقوم بإدماج نواتين (على سبيل المثال : 4He + 4He).
إن التفاعلات الاندماجية التي تطلق أكبر قدر من الطاقة هي تلك التي تستخدم أكثر الأنوية خفّة لإنتاج الهيليوم ، لأن الهيليوم ونواته جسيم ألفا هي أقوى نواة ذرة هلى الإطلاق من جهة تماسكها ، فهي تحتوي على 2 بروتون و 2 نيوترون وهؤلاء الأربعة شديدو التماسك بحيث يتحول جزء يعادل 005و0 من كتلتهم كما في التفاعل الموضح بالرسم ،إلى طاقة حركة تتوزع بين نواة الهيليوم الناتجة والنيوترون . ومجموع الطاقتين الموزعتين = 3,5 + 14,1 = 17,6 MeV . و بالتالي فإن أنوية الدويتيريوم (بروتون واحد ونيوترون واحد) والتريتيوم (بروتون واحد و نيوترونان)، مستخدمة في التفاعلات التالية :
• دويتيريوم + دويتيريوم -> هيليوم 3 + نيوترون
• دويتيريوم + دويتيريوم -> تريتيوم + بروتون
• دويتيريوم + تريتيوم -> هيليوم 4 + نيوترون
• دويتيريوم + هيليوم 3 -> هيليوم 4 + بروتون
و هذه التفاعلات هي أكثر التفاعلات دراسة في المخابر عند تجارب الاندماج المراقبة ، وكل منها ينتج نحو 17 MeV من الطاقة.
الاندماج المتحكم فيه
يمكن التفكير في عدة طرق تمكّننا من احتجاز محيط التفاعل للقيام بتفاعلات اندماج نووية، ويقوم العلماء فعلا بتلك التجارب بواسطة الاحتجاز المغناطيسي لما يسمى البلازما في جهاز مفرغ من الهواء مع رفع درجة حرارة البلازما إلى عشرات الملايين درجة مئوية . ولكن احتجاز البلازما - وهي أنوية التريتيوم و الديوتيروم الخالية من الإلكترونات - تحت هذه الحرارة العالية صعب جدا إذ كلها تحمل شحكة كهربائية موجبة تجعلهم يتنافرون عن بعضهم . فما يلبث التفاعل أن يبدأ بينهم لمدة أجزاء من الثانية حتى يتنافرون ويتوقف التفاعل . وينصب حاليا اهتمام العلماء على ابتكار وسيلة يستطيعون بها إطالة مدة انحصار البلازما وإطالة مدة التفاعل . وتلك المجهودات ما هي إلا بغرض استغلال طاقة الاندماج النووي لإنتاج الطاقة الكهربائية .
الاندماج بالاحتجاز المغناطيسي
• التوكاماك، حيث يحتجز خليط من نظائر الهيدروجين بواسطة حقل مغناطيسي بالغ الشدة.
• الستيلاتور، حيث تؤمن الحواث (inductors) الاحتجاز بالكامل.
بلازما الإندماج
عندما تصل الحرارة الدرجة التي يحصل فيها الإندماج، تكون المادة في حالة بلازما. إنها حالة خاصة للمادة الأولية، تكوّن فيها الذرات أو الجزيئات غازا أيونيا.
تحت درجات الحرارة العالية يتم إقتلاع إلكترون أو أكثر من السحابة الإلكترونية المحيطة بكل نواة ، مما ينتج عنه أيونات موجبة و إلكترونات طليقة.
ينتج عن التحرك الكبير للأيونات و الإلكترونات داخل بلازما حرارية ، عدة اصطدامات بين الجسيمات الموجبة الشحنة الكهربية . و لكي تكون هذه الإصطدامات قوية بما فيه الكفاية لإنشاء تفاعل اندماجي ، تتدخل ثلاث عوامل :
1. الحرارة T ;
2. الكثافة N ;
3. زمن الاحتجاز τ.
ملف:IFE and MFE parameter space.jpg
رسم بياني يوضح نتائج اختبارات أجريت حتى الآن .المنطقة الخضراء توضح نتائج اختبار الاحتجاز المغناطيسي للبلازما وعلاقتها بدرجة الحرارة اللازمة للتفاعل الاندماجي
حسب لوسون فإن المعامل Nτ يجب أن يصل حدا فاصلا للحصول على الـ breakeven حيث تكون الطاقة الناتجة عن الاندماج مساوية للطاقة المستخدمة. يحدث الإيقاد إثر ذلك في مرحلة أكثر إنتاجا للطاقة (لم يتوصل العلماء لإيجادها حتى اليوم في المفاعلات التجريبية الحالية). إنه الحد الذي يكون التفاعل إثره قادرا على المواصلة من تلقاء ذاته من دون انقطاع . لتفاعل ديتوريوم + تريسيوم، يقدّر هذا الحد بـ 1014 ثانية/سم³.
فيزياء ذرية
تقوم لفيزياء الذرية بدراسة بنية الذرات تحديدا الغلاف الإلكتروني للذرات و علاقة هذه الإلكترونات بالنوى الذرية ، و بالتالي يجب تمييزها عن الفيزياء النووية التي تدرس التآثرات و القوى المتبادلة بين مختلف مكونات النوى الذرية.
تهتم الفيزياء الذرية أساسا بدراسة الأطياف الضوئية الصادرة عن ذرات حرة مصدرة للضوء ، فقد تبين أن كل نوع من الذرات له طيف ضوئي مؤلف من خطوط ذات أطوال موجية معينة ، و تفسير هذه الظاهرة هو ما يقودنا إلى نموذج بور الذري الذي وضع أساسا لتفسير هذه الظاهرة مستفيدا من فكرة الكم التي أطلقها ماكس بلانك.
تؤمن لنا الفيزياء الذرية تصورا عن نظرية المدارات الذرية التي تشكل أساس الفهم الحديث للكيمياء.
فيزياء جزيئية
الفيزياء الجزيئية هي دراسة الخواص الفيزيائية للجزيئات و دراسة الروابط الكيميائية التي تربط الذرات المختلفة مكونة الجزيئات. و بالتالي يشكل هذا العلم فرعا أساسيا في فهم أسس الكيمياء و دراسة المطيافيات ( أطياف الأشعة تحت الحمراء, أطياف الرنين النووي المغنطيسي ( ن م ر NMR ) . يعتبر هذا العلم وثيق الصلة بالفيزياء الذرية و يتقاطع بشكل كبير مع الكيمياء النظرية و الكيمياء الفيزيائية.
أشعة تحت الحمراء
الأشعة تحت الحمراء (أو أشعة تحت الأحمر) (بالإنكليزية: Infra rot) هي أشعة كهرومغناطيسية التي لها طول موجة أطول من طول موجة الضوء المرئي وأقصر طول موجة أشعة تيراهيرتز. وهي "تحت الحمراء" أو بشكل أدق تحت الأحمر لأن اللون الأحمر هو اللون الذي لديه أكبر طول موجة من باقي الألوان. والأشعة تحت الحمراء لها مد الموج ما بين 750 نانومتر و100 ميكرومتر.
وتستخدم الأشعة تحت الحمراء في الأسلحة الدفاعية، وغيرها. ففي الأسلحة الدفاعية تستخدم في التعرف على الهدف (التهديف)، والمراقبة، والتوجيه والتتبع. أما في غيرها فيستخدم في فحص كفاءة الدفء، والتحسس بالدفء والحرارة من بعيد والبلاغ اللاسلكي القصير الحيز، ومنظار تحليل الطيف وتنبؤ الطقس. وفي علم الفلك تستخدم هذه الأشعة كي يرى ما وراء مناطق الفضاء المليئة بالغبار الكوني، كغيوم المجرة. ولاستكشاف أشياء بعيدة كالكواكب والنجوم، ولترى أشياء كثيرة التغيير إلى الأحمر من أيام الكون المبكرة في الأجرام السماوية.
والأشعة تحت الحمراء هي أشعة غير مرئية وتعد الشمس مصدر الإشعاع الطبيعي الأول لكل أنواع الطاقة الكهرطيسية أو الكهرومغناطيسية وهي : الأشعة فوق البنفسجية (تشكل 2% من أشعة الشمس) والضوء المرئي (47% من أشعة الشمس) و الأشعة تحت الحمراء (51%من أشعة الشمس).
أشعة فوق بنفسجية
الأشعة فوق البنفسجية هي موجة كهرومغناطيسية ذات طول موجي أقصر من الضوء المرئي لكنها أطول من الأشعة السينية سميت بفوق البنفسجية لأن طول موجة اللون البنفسجي هو الأقصر بين ألوان الطيف. ومداها الموجي يبدأ من 400 نانومتر إلى 10 نانومتر، وطاقتها تبدأ من 3 eV إلى 124 eV.
وتوجد أشعة فوق البنفسجية في أشعة الشمس، وتنبعث بواسطة التقوس الكهربي أو الضوء الأسود. وكما هي أشعة مؤينة فقد تسبب تفاعل كيميائي، وتجعل العديد من المواد متوهجة أو مسفرة. وقد ادرك الكثير من الناس تأثير الأشعة فوق البنفسجية على الجسم مسببة حالات من ضربة شمس، ولكن طيف تلك الأشعة لها تأثيرات أخرى قد تكون مفيدة أو مضرة لصحة البشر.
اكتشافها
كان اكتشاف الأشعة فوق البنفسجية متعلق بمشاهدة علمية بأن أملاح الفضة تصبح داكنة أكثر بعد تعرّضها لضوء الشمس. ففي عام 1801 لاحظ الفيزيائي الألماني جون فيلهلم رايتر (بالألمانية: Johann Wilhelm Ritter) أن أشعة غير مرئية، طول موجتها أقصر من اللون البنفسجي -التي هي نهاية الطيف المرئي-، ناجعة بشكل خاص في زيادة دكانة لون ورق الفضة المشبع بالكلوريد فقام بتسميتها "الأشعة المؤكسدة" ليشدد على تفاعلها الكيميائي ولتمييزها عن "الأشعة الحارة" التي هي بالطرف الآخر من الطيف. تم اعتماد الاسم "الاشعة الكيميائية" بعد ذلك بفترة وجيزة وبقي هذا الاسم قيد الاستعمال خلال القرن التاسع عشر. في نهاية الأمر سقط من الاستعمال التعبيران أشعة كيميائية وأشعة حارة واستعمل التعبيران الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء على التوالي.[1] تسمى الاشعة فوق بنفسجية ماتحت 200 نانومتر بالفراغية لأن الهواء يمتصها بقوة، وقد اكتشفها الفيزيائي الألماني فيكتور شومان عام 1893.[2]
منشأ المصطلح
تعود الترجمة الحرفية للكلمة إلى الأصل اللاتيني (Ultra Violet). بما أن الأشعة فوق بنفسجية هي أقصر من البنفسجية إلا أنها غير مرئية.
أنواع الأشعة فوق البنفسجية
تقسم الاشعة فوق البنفسجية إلى عدة موجات متداخلة مع بعضها البعض كما بالجدول حسب مشروع معيار ايزو (ISO-DIS-21348) في تحديد الاشعاعية الشمسية[3]:
اسم الموجة الرمز طول الموجة بنانومتر
كمية الطاقة لكل شحنة فوتون
أشعة فوق بنفسجية طويلة أو الضوء الأسود UVA 400 ن.م–320 ن.م 3.10–3.94 eV
الموجة القريبة NUV 400 ن.م–300 ن.م 3.10–4.13 eV
الموجة المتوسطة أو موجة B UVB 320 ن.م–280 ن.م 3.94–4.43 eV
Middle MUV 300 ن.م–200 ن.م 4.13–6.20 eV
الموجة القصيرة أو موجة C UVC 280 ن.م–100 ن.م 4.43–12.4 eV
Far FUV 200 ن.م–122 ن.م 6.20–10.2 eV
فراغية Vacuum VUV 200 ن.م–10 ن.م 6.20–124 eV
قصوى Extreme EUV 121 ن.م–10 ن.م 10.2–124 eV
بتقنية الطباعة الحجرية (photolithography) والليزر تستخدم أشعة فوق بنفسجية عميقة (DUV أو Deep UV) وهو للأطوال الموجية التي أقل من 300 ن م. سميت الأشعة الفراغية بهذا الإسم لأن الهواء يمتصها بقوة، لذا فاستخداماتها تكون بالفراغ فقط. في النطاق الموجي مابين 150–200 ن م فإن الإكسجين هو العنصر القوي الذي يمتص تلك الأطوال الموجية، لذا فالعمليات الصناعية التي تحتاج لتلك الموجات يجب أن تتم في جو خالٍ تماما من الأكسجين، ويستخدم عنصر النيتروجين النقي بشكل عام هنا ليمنع الحاجة إلى غرف فراغية.
الضوء الأسود
الضوء الأسود أو إنارة وود (نسبة إلى العالم روبرت وليامز وود)، هي إنارة تصدر اشعة فوق بنفسجية طويلة وبعضا من الضوء المرئي. وهي عموما معروفة بإسم "أشعة فوق بنفسجية طويلة" (بالإنجليزية: UV light). تتم الإضاءة الفلورية السوداء بنفس طريقة الإضاءة الفلورية العادية فيما عدا انها تستخدم الفوسفور فقط وغطاء المصباح الزجاجي يستبدل بغطاء زجاجي لونه بنفسجي غامق مزرق ويسمى زجاج وود، وهو زجاج مغلف بأكسيد النيكل لكي يمنع أي ضوء مرئي ذو طول موجي أعلى من 400 نانومتر. مسميات تلك المصابيح حسب الصنع مثل "ضوء أسود ذو زرقة" أو "blacklight blue" أو بالمختصر "BLB" لتمييزها عن مصابيح أجهزة صائدة الحشرات ("bug zapper" blacklight "BL") والتي لاتحتوي على لون زجاج وود الأزرق. الفوسفور المستخدم للموجة القريبة ذات انبعاث موجي 368 إلى 371 ن.م إما أن يكون رباعي فلوربورات سترونتيوم مغلف بيوروبيوم (SrB4O7F:Eu2+) أو بورات السترونتيوم (SrB4O7:Eu2+) بينما يستخدم الفوسفور لإنتاج إضاءة أعلى 350 إلى 353 ن.م وهو سليكات الباريوم المغلفة بالرصاص (BaSi2O5:Pb+). مصابيح الضوء الأسود الزرقاء هي 365 ن.م.
ينتج الضوء الأسود إنارة في نطاق موجة فوق البنفسجية، ويقتصر طيفها على حقل الموجة الطويلة "UVA". على النقيض منها عند الموجات UVB و UVC، اللذان لهما تأثيرات صحية خطيرة ومدمرة لمادة DNA وتؤدي إلى الإصابة بسرطان الجلد. الضوء الأسود له محدودية الطاقة الصادرة منه والموجات الطويلة، لذا لايسبب بحروق الشمس، ولكن الموجات الطويلة تلك قادرة على الإضرار بألياف الكولاجين وتدمير فيتامين ألف الموجود بالجلد.
ويمكن انتاج الضوء الأسود عن طريق استبدال الزجاج الشفاف بزجاج وود كغطاء للمصباح العادي. ويعتبر ذلك أول مصدر لإنتاج الضوء الأسود. وإن كان البديل الرخيص لطريقة الفلورسنت، لكنها وبصورة استثنائية غير فعال لإنتاج إنارة فوق بنفسجية (أقل من 0.1% من الطاقة الداخلة) نظرا لطبيعة الجسم الأسود في مصدر المصباح العادي. فمصابيح فوق البنفسجية الساطعة وبسبب عدم كفاءتها، فقد تكون لها الخطورة بسبب حرارتها خلال الإستخدام. ومن النادر إيجاد المصابيح السوداء من بخار الزئبق ذات طاقة عالية (مئات من الواط) استخدام الأشعة فوق البنفسجية بانبعاث الفوسفور وتكون مغلفة بزجاج وود. تلك المصابيح تستخدم بشكل أساسي بشاشات عرض المسارح والحفلات الموسيقية ولكنها تكون حارة جدا خلال استعمالها.
بعض مصابيح الفلورسنت فوق البنفسجية تكون مصممة بشكل يجذب الحشرات إليها، وهي تستخدم كصائد للحشرات وتستخدم نفس الفوسفور المستخدم للموجة القريبة في المصابيح السوداء، ولكنها تستخدم زجاج شفاف بدلا من زجاج وود المكلف بالسعر. فالزجاج الشفاف أقل منعا لإنبعاثات طيف الزئبق المرئية، مما يجعل لونه أزرق أمام العين المجردة. ويرمز إلى تلك المصابيح بالضوء الأسود (Black Light) أو BL حسب كتالوجات الإنارة.
ويمكن توليد إضاءة فوق بنفسجية عن طريق صمام ثنائي باعث للضوء.
المصادر الطبيعية
تنبعث الأشعة فوق بنفسجية من الشمس على شكل أحزمة من الموجات الطويلة والمتوسطة والقصيرة, ولكن بسبب امتصاص آوزون الطبقة الجو العليا لها, فإن 99% من الإشعاع الذي يصل سطح الأرض يكون من الحزمة الطويلة UVA. (للعلم فإن الحزم المتوسطة والقصيرة من الموجات فوق بنفسجية تكون لها المسؤولية المباشرة لتكوين طبقة الآوزون).
الزجاج الطبيعي يكون شفاف جزئيا للموجة الطويلة من فوق البنفسجية ولكنه معتم للموجات الأقصر, والسيليكا المحروقة أو الكوارتز المحروقة حسب الجودة لها خاصية الشفافية حتى للموجات الفراغية. زجاج النوافذ العادي يمكنه تمرير حوالي 90% من الضوء ذو الطول الموجي فوق 350 نانومتر, لكنه يمنع حوالي 90% من الضوء الذي أقل من300 ن م.
الموجة الفراغية تبدأ من 200 نانومتر, سميت بهذه التسمية لأن الهواء العادي يعتم الموجات ذات الطول أقل 200 نانومتر, وذلك بسبب شدة امتصاص الأكسجين الموجود بالهواء لهذا الطول الموجي. أما النيتروجين النقي يكون شفاف للموجات مابين 150-200 ن م. وهذه الطريقة مهمة صناعيا لأن عمليات التصنيع لأشباه الموصلات تستخدم ترددات ذات طول موجي أقل من 200 ن م. وبالعمل في مكان خالي من الأكسجين، فإن المعدات التي لا بد أن تجهز على تحمل الإختلاف بالضغط المطلوب للعمل في الفراغ. بعض الأجهزة العلمية مثل مطياف حلقة ثنائية اللون (circular dichroism spectrometer) تعقم بالنتروجين وهي تعمل في هذا النطاق الطيفي.
Extreme UV وهي الموجات فوق بنفسجية القصوى امتازت بالتفاعل مع المادة: الموجات التي أطول من 30 ن م تتفاعل كيميائيا مع الإلكترونات المتعادلة أو المتكافئة للتلك المادة (تكون بالمدار الخارجي), بينما الموجات التي أقصر من ذلك تتفاعل مع الإلكترونات التي بالمدار الداخلي ومع النواة أيضا. نهاية الطول الطيفي للأشعة الفوق بنفسجية العظمى EUV/XUV يحدد بواسطة الخط الطيفي المرتفع للهيليوم (He+) عند الطول 30.4 ن م. معظم المواد المعروفة تمتص بقوة هذه الأشعة, ولكن بالإمكان إنتاج أجهزة بصرية متعددة الطبقات تعكس حوالي 50% من إشعاع تلك الموجة فوق بنفسجية القصوى على زاوية سقوط عادية.هذه التكنولوجيا تستخدم بالتلسكوبات في حالات التصوير الشمسي وهي موجودة بصواريخ الرصد الشمسي خلال التسعينات. وأيضا الطباعة على الرقائق السليكونية لعمل الدارات الكهربية.
تأثيرات الصحة البشرية المرتبطة بالإشعاع فوق البنفسجي
فوائد التأثير بالأشعة فوق البنفسجية
فيتامين دي
الأثر الإيجابي الرئيس من التعرض للموجة المتوسطة من فوق البنفسجي (UVB) انه يساعد على إنتاج فيتامين دي بالجلد. التقديرات تقول أن هناك عشرات الآلاف من الذين يموتون بالسرطان سنويا في الولايات المتحدة والسبب هو نقص فيتامين دي بالجسم. ويسبب هذا النقص مرض لين العظام (أو الكساح عند الكبار), ويسبب بضعف العظام وسهولة كسرها. عموما الحصول على هذا الفيتامين يكون عن طريق الأغذية أوالتعرض للشمس لفترات محددة.
هناك بلدان عديدة تحصن اغذيتها بفيتامين دي لمنع النقص, يفضل اكل تلك الأغذية أو استعمال حبوب التغذية للرجيم أكثر من التعرض لل(UVB) خوفا من زيادة فرص الإصابة بسرطان الجلد بسبب الأشعة الفوق بنفسجية.
للأشعة فوق البنفسجية استعمالات طبية, كحالات الأمراض الجلدية مثل الصدفية والبهاق. يستخدم إشعاع فوق البنفسجية الطويلة (UVA) مع بعض الأدوية. أما المتوسطة (UVB) فنادرا ماتستخدم في هذا المجال.
الجماليات
نقص الإمداد من الموجة المتوسطة (UVB) يسبب نقص بفيتامين دي. والزيادة منه يسبب ضرر مباشر للحمض النووي وحروق بالجلد. أما الكمية المناسبة من التعرض للموجة المتوسطة (والتي تختلف حسب لون البشرة) فسوف تعطي محدودية التأثير الضار على الحمض النووي. فالجسم يتعرف عليها ويصلح الخلل بها.
التأثير السيئ من الإشعاع فوق بنفسجي
التعرض لفترات طويلة للشمس وأشعتها فوق البنفسجية قد يسبب تأثيرات صحية خطيرة ومزمنة بالجلد والعين والجهاز المناعي للجسم. إشعاع UVC هو الأعلى طاقة من بين نظرائه من الإشعاع فوق البنفسجي والأخطر أيضا, ولحسن الحظ انه يصفى عند غلاف الأرض الجوي, مع ذلك استخدامها بمعدات خاصة مثل وحدات تعقيم الأحواض السباحة قد يشكل خطورة التعرض لها إذا كان المصباح مضيء خارج حوض وحدة التعقيم المقفلة.
التأثير على الجلد
إشعاع تلك الموجة الذي يأتي مع ضوء الشمس يعتبر بيئيا مسرطن للبشر . التأثير السام للفوق بنفسجي من ضوء الشمس ومصابيح العلاج الاصطناعي هما أمران مقلقان للصحة البشرية, التأثيرات الخطيرة للإشعاع على الجلد يتضمن التهاب الحروق والتهابات الجلد ولفح الشمس وإضعاف جهاز المناعة الجسم. UVA ،UVB و UVC جميعهم يمكنهم تدمير ألياف بروتين الكولاجين وبالتالي تسريع شيخوخة الجلد. الأشعة الطويلة UVA والمتوسطة UVB يمكنهما تحطيم فيتامين أ الموجود بالجلد.
نبدأ بالموجة الطويلة UVA التي أقلهم خطورة تعجل بشيخوخة الجلد وتخرب الحمض النووي DNA وتعجل بسرطان الجلد. وهي تنتشر بعمق ولا تسبب حروق الشمس ولا احمرار بالجلد ولا يوجد فحص طبيا لها ولكن الواقي الشمسي يعترضها ويعترض UVB معها.
فوتون فوق بنفسجي يضرب جزيء الدنا للخلايا الحية بعدة طرق. أكثر الأحداث وقوعا إعادة تشكيل روابط قاعدة البيانات الثايمين إلى ثنائي الثايمدين مما يسبب انتفاخ بالسلم الوظيفي
احمرار الجلد جراء تأثير ضوء الشمس يتفاعل بالتأثير مابين كمية أشعة الشمس وحساسية الجلد من UV
أما الموجة المتوسطة UVB فهي مسببة للسرطان الجلد, تدمر ألياف الكولاجين ولكن بوتيرة أبطأ من UVA وإشعاعها يثير جزيء الحمض النووي DNA بالجلد مسببا بإعادة تشكيل روابط قاعدة البيانات الثايمين إلى ثنائي الثايمدين مما يشوه شكل لولب ال DNA ويوقف التناسخ ويظهر الفجوات ويمنع الاندماج. وقد تظهر الطفرة الجينية مما يسبب بالنمو السرطاني, تلك الطفرة الجينية المسببة من الأشعة الفوق بنفسجية من السهولة ملاحظتها بزراعة البكتيريا, هذه الرابط السرطاني يعتبر من الأسباب التي تدعو للاهتمام حول ظهور ثقب الآوزون. وكمقاومة للإشعاع الفوق بنفسجي يميل الجسم إلى للاسمرار عند تعرضه لمستوى معقول من إشعاع UVA (حسب نوع الجلد) وتصبح الصبغة البنية قاتمة بينما UVB يحدث إنتاج جديد. هذا الاسمرار يوقف انتشار الفوق بنفسجية كما يمنع التخريب القوي لأنسجة الجسم الضعيفة . هناك مستحضرات تجميل وتستعمل لاسمرار البشرة و كحاجز أو مانع للضوء وهي تمنع الأشعة الفوق بنفسجية جزئيا ومعظمها يحتوي وصف كمية قياس الوحدة لحماية الجسم من الشمس وهي تستعمل للحماية من أشعة ال UVB المسئولة عن حروق الشمس لكنها لا تستطيع الحماية من الUVA كما أسلفنا سابقا, وحاليا ظهرت بالأسواق مستحضرات حماية جديدة تحتوي مركبات مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (Titanium dioxide ) التي تستطيع مقاومة الأشعة الطويلة للفوق بنفسجية UVA وهناك مستحضرات طبيعية واعشاب للحماية من الأشعة الفوق بنفسجية وتسمى باللاتيني (Phlebodium aureum) .
العين
ازدياد كثافة الموجة المتوسطة UVB له خطورة للعين, والتعرض له يسبب أمراض للعين كماء العين, والأفضل استعمال النظارات الحماية لتغطية العين بالكامل للأشخاص الذين قد يتعرضون للإشعاع الفوق بنفسجي, خاصة الموجة القصيرة UVC, متسلقي الجبال أكثر عرضة للأشعة الفوق بنفسجية من الأشخاص العاديين وذلك بسبب ضعف الغلاف الجوي (عند تلك المرتفعات) الذي يصفي تلك الإشعاعات، وبسبب انعكاس الثلوج لها. نظارات الزجاجية العادية تعطي حماية بسيطة, لكن أكثر العدسات البلاستيك حمايتها أقوى من الزجاجية, والسبب كما شرحناه سابقا أن الزجاج له خاصية تمرير الموجات الطويلة UVA فقط بينما البلاستيك الأكريليكي خاصية المرور للعدسات هي اقل, بعض مواد العدسات البلاستيك مثل البولي كاربونات(وهي مادة ذات عزل عال ومقاوم للحرارة) تمنع جميع الأشعة الفوق بنفسجية. عموما للعدسات خاصية الحماية من الأشعاع ولكن حتى تلك الحماية لايمكنها المنع التام للأشعة الفوق بنفسجية عن العين.
تأثيرات أخرى من الإشعاع الفوق بنفسجي
المواد المبلمرة المستخدمة بالمنتجات الاستهلاكية تتحلل من الإشعاع الفوق بنفسجي, وتحتاج إلى إضافات لمنع الإشعاع كالمواد المحتوية على اللدائن الحرارية مثل البولي بروبيلين والبولي إثيلين والألياف الإصطناعية المتخصصة مثل أراميد, امتصاص الأشعة الفوق بنفسجي تؤدي ضعف بتركيبة المواد, بالإضافة إلى العديد من الألوان والأصباغ التي تمتص تلك الأشعة فيتغير لونها, فلذلك معظم الأصباغ والمنسوجات يخلط بها مواد خصوصية للحماية من الشمس والإشعاع.
المواد المانعة والمستقبلة
الجزيئات المستقبلة للأشعة الفوق بنفسجية تستخدم بالمواد العضوية كالأصباغ والبوليمر وغيرها لخفض تحلل المادة أو مايعرف ب(التأكسد الضوئي) وهذه الجزيئات تختلف عن بعض باختلاف خصائص الامتصاص لديها, وتضعف بتقادم الزمن لذلك من الأفضل مراقبة مستوياتها داخل المواد التي تتعرض للجو مباشرة. حالة الواقي الشمسي, المركبات العضوية التي تمتص الأشعة UVA و UVB مثل افوبنزين و اوكتيل ميثوكسيسيناميت وهي تتعاكس مع الموانع للأشعة الفوق بنفسجية مثل ثاني أكسيد التيتانيوم و أكسيد الزنك.
تطبيقات الأشعة الفوق بنفسجية
الضوء الأسود هو ضوء يرسل الموجة UVA وقليلا من الضوء المرئي.أنوار الفلورسنت السوداء هي نفس الفلورسنت العادية ماعدا ان المستخدم هو فقط الفوسفور والزجاج يكون لونه ازرق غامق إلى البنفسجي ويسمى الزجاج الخشبي استخدام آخر وهو كشف التزوير للبطاقات المهمة (بطاقات ضمان ورخص قيادة وجوازات وغيرها) وذلك بتعريضها لذلك الضوء فيظهر العلامات المائية الخاصة للوثيقة, وأشهرهم على الإطلاق العلامة الأمنية لبطاقة ( الصورة الثلاثية الأبعاد )Hologram الفيزا وهي علامة الطير كما بالصورة . العملات الورقية أيضا يوجد بها علامات مائية تظهر بوضوح بالأشعة الفوق بنفسجية.
مصابيح الفلورسنت
تنتج تلك المصابيح اشعاع فوق بنفسجي بواسطة تأين بخار الزئبق بجو قليل الضغط, ويقوم مسحوق الفوسفور الذي يغلف الجزء الداخلي من الإنبوب بإمتصاص ذلك الإشعاع ويحوله إلى ضوء مرئي. الطول الموجي لانبعاثات الزئبق الرئيسية تكون بمدى الفوق بنفسجي. إذا من الخطورة تعرض العينين أو الجلد مباشرة إلى إضاءة القوس الزئبقي الذي لايحتوي على الفوسفور المحول. فإضاءة الزئبق غالبا محدد الأطوال الموجية, المصادر الأخرى للفوق بنفسجي هي أنارة الزينون أنارة الديتيريوم إنارة زينون - زئبق, مصابيح هاليد المعدنية وأخيرا مصابيح تنجستين-هالوجين المتوهجة.
الفضاء الخارجي
تفضل الأجسام الساخنة بالفضاء أن تبعث اشعاع فوق بنفسجي. ولأن طبقة الآوزون تمتص الكثير من تلك الإشعاعات من الوصول للأرض فلا يصلنا منها شيء.
مكافحة الحشرات
مصائد التي تعمل بالفوق بنفسجي تستخدم لإبعاد العديد من الحشرات الطائرة وذلك بجذبهم إلى الضوء الفوق بنفسجي وتقتل بالصعقة الكهربية عند دخولهم الفخ الضوئي.
مقياس الضوء الطيفي Spectrophotometry
علم الدراسات الطيفية للفوق بنفسجي والضوء المرئي تستخدم بقوة في علم الكيمياء لتحليل البناء الكيميائي وخاصة الأنظمة المترافقة, الإشعاع الفوق بنفسجي يستخدم في قياس الضوء المرئي لتحديد وجود كمية لإشعاع معين ويستخدم عموما بالمختبرات.
تحليل المعادن
الضوء الفوق بنفسجي يستخدم لتحليل المعادن والأحجار الكريمة ولأعمال الكشف والتوثيق من مختلف المحصلين لها. المواد الخام لها نظرة تحت الضوء المرئي ولكن درجة التوهج تختلف تحت الفوق بنفسجي, أو حتى يختلف مابين الفوق بنفسجي القصير والطويل.
العلامات الكيميائية الإرشادية
أصباغ الفلورسنت الفوق بنفسجية لها استخدامات كثيرة مثل الكيمياء الحيوية والأدلة الجنائية, وهناك بروتين فلورسنت الأخضر Green Fluorescent Protein GFP وهو ويستخدم بعلم الوراثة كعلامة كيميائية, والبروتينات لديها كفاءة وقابلية امتصاص الحزمة الفوق بنفسجية وهي كما قلنا لها فائدة بالكيمياء الحيوية والتخصصات ذات العلاقة.
علاج بالكيمياء الضوئي Photochemotherapy
عند تعرض أجسام شديدة الحساسية للضوء للأشعة الفوق بنفسجية مع اعطاء ادوية معينة للعلاج منها كالصدفية والبهاق والإكزيما وتسمى تلك العملية PUVA ،ولكن لفترات محددة وقليلة لخطورتها على الكبد
ميكانيكا الكم
نظريّة فيزيائية أساسية ، جاءت كتعميم وتصحيح لنظريات نيوتن الكلاسيكية في الميكانيكا. وخاصة على المستوى الذري ودون الذري . تسميتها بميكانيكا الكم يعود إلى أهميّة الكم في بنائها(وهو مصطلح فيزيائي يستخدم لوصف أصغر كمّية يمكن تقسيم الإشياء إليها ، ويستخدم في للإشارة إلى كميات الطاقة المحددة التي تنبعث بشكل متقطع ، وليس بشكل مستمر). كثيرا ما يستخدم مصطلحي فيزياء الكم والنظرية الكمومية كمرادفات لميكانيكا الكم. وبعض الكتّاب يستخدمون مصطلح ميكانيكا الكم للإشارة إلى ميكانيكا الكم غير النسبية.
مقدمة عامة
أتت النظرية الكمومية (و تسمى أيضا النظرية الكوانتية (بالإنجليزية: quantum theory) )في بدايات القرن العشرين مثل النظرية النسبية لحل اشكاليات مطروحة من قبل النظرية الكلاسيكية ، و يمكن تلخيص هذه الاشكاليات بعدم التناسق بين درجات حرية الجسيمات (6) و درجات حرية الحقول (عدد غير محدود ) فحسب قانون توزع الطاقة بالتساوي بين مختلف درجات حرية الجملة في حالة التوازن ، الذي يؤدي إلى انتقال معظم الطاقة من الجسيمات إلى الحقول ، و ينتج عن هذا تصورات مخيفة مخالفة للواقع : فحسب هذه النظرة يجب على الالكترون الدائر حول النواة ( حسب نموذج رذرفورد ) أن يصدر أمواجا كهرومغناطيسية وفقا لمعادلات مكسويل تزداد شدتها إلى اللانهاية، و بهذا يقترب أكثر فأكثر من النواة حتى تنهار جميع الالكترونات ضمن النواة، لكن من المؤكد أن هذا لا يحصل في الواقع . تقول النظرية الكلاسيكية أيضا أن اصدارات الذرة الضوئية يجب أن تغطي جميع الترددات بنفس الشدة ، لكن الواقع ينقض ذلك بشدة حيث تبدي الذرات المختلفة أطيافا خاصة تتضمن اصدار امواج ضوئية على ترددات خاصة و محددة جدا.
تنشأ مشكلة أخرى عندما نتأمل اشكالية الجسم الأسود "وهو جسم يمتص كامل الاشعاع الساقط عليه ليعيد اصداره" حيث فشلت كل المحاولات المستندة إلى الميكانيك الإحصائي الكلاسيكي في توصيف اشعاع الجسم الأسود خصوصا في الترددات العالية حيث تبدي القوانين المتوقعة انحرافا كبيرا عن الواقع و هذا ما عرف لاحقا باسم الكارثة فوق البنفسجية .
أتت بدايات الحل في عام 1900 مع ماكس بلانك الذي اقترح فكرة ثورية هدفها التنبؤ بتناقص الأنماط العالية التردد من اشعاع الجسم الأسود بافتراض ان الاهتزازات الكهرطيسية تصدر بشكل كموم ، حيث يعتبر الكم أصغر مقدار معين من الطاقة يمكن تبادله بين الأجسام وفق تردد معين، و ترتبط طاقة الكم بتواتر الاشعاع المرافق له :
حيث تعبر E عن طاقة الكم الصادر ،nu عن تواتر الاشعاع\تردده ، h ثابت أصبح يدعى بثابت بلانك .
تأتي اشكاليات أخرى من التبصر في طبيعة الضوء ففي حين يؤكد نيوتن ان طبيعة الضوء جسيمية ( فهو مؤلف من جسيمات صغيرة، و تؤيده في ذلك العديد من التجارب ، نجد أن يونغ يؤكد أن الضوء ذو طبيعة موجية و تؤكد تجارب يونغ حول التداخل الضوئي و الانعراج هذه الطبيعة الموجية . في عام 1923 اقترح لويس دو بروي أن ينظر إلى جسيمات المادة و ذراتها أيضا على انها جسيمات تسلك سلوكا موجيا احيانا مقترحا معادلة تشابه معادلة بلانك :
.
حيث : λ, طول الموجة ، و p العزم.
بدأت هنا تتضح ملامح صورة جديدة للعالم تتداخل فيها الجسيمات و الحقول المهتزة بحيث يصعب التمييز بينهما و كان هذا ما مهد الطريق لظهور ميكانيك الكم عندما وضع نيلز بور نظريته الذرية التي لاتسمح للاندفاع الزاوي بأخذ قيم سوى المضاعفات الصحيحة للقيمة :
حيث تعبر L عن قيم الاندفاع الزاوي ،n عدد صحيح (3,2,1,...)
و هكذا ظهرت مستويات للطاقة المستقرة يمكن وضع الالكترونات الدائرة فيها مفسرة ثبات التركيب و الخطوط الطيفية للذرات ، لكن هذا لم يكن سوى البداية . في عام 1925 قام العالم الألماني هايزنبرغ بتقديم مبدأه في الارتياب الذي ينص على عدم قدرتنا على تحديد موضع و سرعة ( اندفاع ) الجسيمات الكمومية بآن واحد و بدقة متناهية . كانت هذه بداية سلسلة من الصدمات التي تلقتها نظرتنا الكلاسيكية للعالم و التي تحطمت معها كل الصورة الميكانيكية الآلية التي سادت حول العالم بعد انتصارات فيزياء نيوتن المدوية في القرنين السابقين . قام هايزنبرغ بصياغة قواعد ميكانيك الكم بصياغة جبر المصفوفات فيما عرف بعد ذلك بميكانيك المصفوفات (بالإنجليزية: matrix mechanics) سنة 1926، ظهر شرودنغر بمعادلته الموجية الشهيرة التي تبين تطور دالة موجة الجسيم الكمومي مع الزمن و عرفت تلك الصياغة بالميكانيك الموجي (بالإنجليزية: wave mechanics )، لكن رغم الاختلاف الظاهري العميق بين الصياغتين فان نتائجهما كانت متطابقة ، هذا ما دفع بول ديراك بعد ذلك لتوحيدهما في اطار شامل عرف بنظرية التحويل (بالإنجليزية: transformation theory).
نموذج بور للذرة
أظهرت تجارب راذرفورد أن الذرة تتكون من مركز مشحون إيجابا يسمى نواة وإلكترونات تتحرك حولها. بينت أعمال علماء الذرة حول أطياف الإمتصاص و الإنبعاث أن هذه الأطياف متقطعة وليست مستمرة. هذه الخاصية وجدت تفسيرها الأول فيما يعرف بنموذج بور للذرة. كانت أهم فرضية لبور هي أن الإلكترونات لا يمكنها سوى الحركة في مدارات دائرية يكون فيها الإلكترون مستقر أي لا يشع و إلا فإنه بعد مرور فترة من الزمن سوف يفقد كل طاقته و يسقط على النواة. هذا يعني أن الإلكترون لا يمكنه أن يحتل إلا سويات طاقة معينة أي أن طاقته مكممة. في حالة أستثارة الذرة فإن الإلكترون سوف ينتقل إلى سوية طاقة أعلى ثم يعود إلى حالته الأولى مع انبعاث فوتون ذو طاقة مساوية تماماللفرق بين طاقتي السويتين .
النظرية الكمومية حسب التصور الموجي
لا تقوم صياغات الميكانيك الكمومي بتقديم قياسات دقيقة لخواص الجسيمات المقيسة (بالإنجليزية: observables) بل تعطي تنبؤات أي توزعات احتمالية (بالإنجليزية: probability distributions ) لجميع القيم التي يمكن أن تأخذها خاصة معينة للجسيم ، فالحالة الكمومية للجسيم تتضمن احتمالات لخواصه القابلة للقياس : مثل الموضع (بالإنجليزية: Position)، العزم (بالإنجليزية: Momentum) ، الطاقة (بالإنجليزية: Energy)، العزم الزاوي angular Momentum . هذه الخواص يمكن أن تشكل بقيمها توابع مستمرة (بالإنجليزية: continuous) مثل الموضع و يمكن أن تشكل توابع منقطعة (بالإنجليزية: discrete) مثل الطاقة. بهذا لا يعطيك ميكانيك الكم الموقع الدقيق لجسيم انما يعطيك احتمال وجوده في أي نقطة من الفضاء حيث يحدد مسارات يكون فيها تواجد الجسيم أعظميا( اي احتماليته اعظم من غيره) لكنه لا يلغي امكانية وجوده في أي نقطة من الفراغ و يمكنك قول نفس الكلام بخصوص جميع الخواص الأخرى .
لكن تبقى هناك حالات معينة تتضمن تحديد قيم دقيقة لبعض الخواص, تدعى هذه الحالات بالحالات الخاصة (بالإنجليزية: Eigenstates).
لنفترض وجود جسيم غير مقيد حر الحركة ، مما يعني امكانية تمثيل حالته الكمومية بموجة ذات شكل افتراضي غير معين و تمتد على كامل الفضاء ندعوها بدالة الموجة . قياسات الجسم في هذه الحالة تتضمن موضعه و عزمه . فلو أخذت دالة الموجة سعة عالية جدا في موضع (س) و كانت قيمها معدومة ( صفر ) في كل الأماكن الاخرى فهذا يعتبر حالة خاصة للموضع : يتحدد بها موقع الجسيم بدقة. في الوقت ذاته يجب ألا ننسى أن هذا يتضمن عدم القدرة اطلاقا على تحديد قيمة العزم حسب مبدأ الارتياب . لكن في الحقيقة لا توجد مثل هذه الحالات الخاصة للخواص المقيسة لكن تدخلنا بعملية قياس أي من الخواص يحول تابع موجته من شكلها الأصلي إلى حالة خاصة لهذه الخاصة و هذا ما يدعى بانهيار الموجة wave collapse.
لوصف الأمر بشكل أكثر دقة :
لنفترض جسيما كموميا وحيدا : من وجهة نظر كلاسيكية يلزمنا تحديد موضع و سرعة الجسيم أما النظرية الكمومية بالصياغة الموجية لشرودنغر قتعتبر ألا وجود لمثل هذا الخواص المقيسة مثل : الموضع ، العزم ، الطاقة فكل موضع متاح للجسيم هو موقع محتمل و كل قيمة متاحة للطاقة هي قيمة ممكنة أيضا ، و الاختلافات بين قيمة و أخرى هي اختلافات في الاحتمالات. حيث يكون لهذه الدالة في كل موقع(س) قيمة معينة () تدعى سعة وجود الجسيم في الموضع (س) ، فيكون احتمال وجود الجسيم في الموقع (س) هو ببساطة مربع سعة وجود الجسيم في الموقع (س) . اما عن حالات اندفاع الجسيم فسنضطر هنا إلى اجراء تحليل توافقي لدالة الموجة و مجموعة توافقيات هذه الموجة يمثل الحالات الممكنة لاندفاعات الجسيم و بهذا نحصل على دالة موجية للاندفاع ضمن فضاء افتراضي للاندفاعات تكون غالبا بشكل أمواج اما شديد التراص مما يدل على حالة شديدة الاندفاع أو قليل التراص و هذا يمثل حالات قليلة الاندفاع .
تقوم معادلة شرودنغر بوصف تطور دالة الموجة مع الزمن و بهذافهي تقوم بالتنبؤ الدقيق للحالات الكمومية للجسيم في أي لحظة و بهذا تقدم لنا قانونا ثابتا يشرح تطور الدالات الموجية بكل دقة ، هذه الدالات التي تكون في داخلها جميع قيم الموضع و الاندفاع المحتملة . فدالة الموجة التابعة للجسيم حر الحركة تتنبأ بان مركز الحزمة الموجية سيتحرك مع الزمن بسرعة ثابتة و بنفس الوقت سيزداد امتداد الموجة ليصبح الموضع أكثر فأكثر غير محدد . توجد أيضا بعض الجمل الكمومية المستقرة التي لا تبدي تغيرا مع الزمن كحالة الالكترون في ذرة الهيدروجين و الذي يصور في ميكانيك الكم كموجة احتمالية مستقرة دائرية : يكون تواجد الالكترون أعظميا ضمن بعد معين من النواة في حين يقل الاحتمال تدريجيا كلما ابتعدنا عن النواة . تطرح معادلة شرودنغر اذن تطورا حتميا للدالة الموجية (يدعى هذا التطور بالتطورU) فهي تحدد بدقة قيم الدالة في جميع نقاط الفضاء في أي لحظة زمنية ، لكن الطبيعة الاحتمالية لميكانيك الكم ينشأ من التدخل بعملية القياس لتحديد احدى الخواص المقيسة للجسيم عندئذ يحصل التطور R اللااحتمالي تأخذ بموجبه الخاصة المقيسة أيا من القيم المتاحة لها حسب قيمة احتمالها و هذا ما يكافئ ما دعوناه مسبقا ب
نتائج النظرية
لا يعطينا ميكانيك الكم تنبؤا دقيقا بنتيجة رصد أو قياس جملة كمومية أو جسيم كمومي انما يكتفي باعطاء محموعة من النتائج الممكنة و المختلفة لكل منها احتمال وجود معين . كما لا يستطيع تحديد طبيعة الجسيم ان كانت جسيمية أو موجية فهو يعتبر هذه الطبيعة نتيجة الرصد و القياس فعندما توجه اهتمامك للخاصية الموجية للجملة ترصد تلك الخواص و عندما تهتم بالخواص الجسيمية تبدو الجملة بشكل جسيم .
أول ما ظهرت هذه المثنوية ( جسيم / موجة ) في تجربة يونغ الضوئية الشهيرة ، فاستخدام ثقب واحد لمرور الضوء كان يؤكد الخاصية الجسيمية ( التي تجلت فيما بعد بما دعي الفوتون ) في حين كان فتح ثقبين يؤدي لظهور مناطق التداخل المضيئة و المظلمة . انعراج الضوء كان دليلا واضحا ايضا على طبيعة الضوء الموجية في حين أكدت أطياف الذرات و تفسير ماكس بلانك لها بأن الضوء عبارة عن طاقة تصدر بشكل كميات متقطعة متجانسة تدعى الكموم ( و تمثلت تلك الكموم بالفوتونات في تجربة المفعول الكهرضوئي ) الطبيعة الجسيمية للضوء.
أتت بعد ذلك علاقة دوبروي و مبدأ الارتياب (بالإنجليزية: Uncertainity principle) لهايزنبرغ ليمددا هذا التصور المثنوي باتجاه جميع الجسيمات الذرية (بالإنجليزية: atomic particles) و تحت الذرية (بالإنجليزية: sub-atomic)، و أصبح من الممكن الحديث عن تداخل الاجسام كما الحديث عن تداخل الأمواج ، فقد أجريت تجربة مشابهة تماما لتجربة يونغ استخدم بها الالكترونات بدلا من الفوتونات الضوئية و حصلنا بالمقابل على مناطق ذات شدة الكترونية و مناطق محرمة على الالكترونات و هذا عزز التأكيد أن الالكترونات كما الفوتونات تتصرف كموجة وجسيم معا. و اذا اعتمدنا تفسير كوبنهاجن لميكانيك الكم فان كل الجمل الكمومية ليست لا موجة و لا جسيم إنما دالة موجية (بالإنجليزية: wave function) تعبر عن نفسها كموجة (بالإنجليزية: wave) أو جسيم (بالإنجليزية: particle) حسب توجه عملية الرصد البشري و القياس.
مبدأ الارتياب في الطاقة والزمن
لا يقتصر دور مبدأ الارتياب لهايزنبرغ على تقييد مقدار الدقة (بالإنجليزية: certainty) الممكنة في تحديد الموضع (بالإنجليزية: Position) و الاندفاع بل يتعداه إلى كافة الخواص الفيزيائية كالطاقة (بالإنجليزية: Energy) و الزمن (بالإنجليزية: Time); فطاقة الفوتون مثلا تتحدد بتحديد تواتر (بالإنجليزية: frequency) أمواج الضوء لكن تحديد هذا التواتر يتطلب عد الاهتزازات في فترات زمنية من مضاعفات زمن اهتزاز الموجة، الذي يمثل أصغر فترة زمنية لانجاز اهتزاز ضوئي وحيد. بالتالي هناك حدود لقياس الزمن مطلوبة لتحديد التواتر و استخدام فترات زمنية أصغر من زمن اهتزاز الموجة الضوئية يجعل طاقة الفوتون غير محددة، مما ينشيء علاقة ارتياب جديدة بين الطاقة و الزمن. تتجلى هذه العلاقة الارتيابية في ظاهرة الأطياف فاحداث تهييج قصير المدة لمجموعة متماثلة من الذرات يؤدي إلى نقل بعض الالكترونات إلى سويات طاقية أعلى لكن غير محددة ( بسبب قصر الفترة الزمنية ) بالتالي نحصل على طيف ضوئي متنوع الأمواج ( يغطي المجالات الضوئية السبع و فوق البنفسجية و تحت الحمراء ) ، بالمقابل عندما نقوم بعملية تهييج ذرات لقترات زمنية طويلة تسمح بكون السويات الطاقية (بالإنجليزية: energy levels) للالكترونات المهيجة (بالإنجليزية: excited electrons) محددة, و بالتالي نحصل على طيف (بالإنجليزية: spectrum) ذو خطوط موجية معينة تعكس البنية المدارية للذرات.
مثل هذا الاستنتاج قد يعمل على تعطيل قانون حفظ الطاقة في فترات زمنية قصيرة جدا ، بصياغة اخرى يمكن للجملة الكمومية الحصول على قرض طاقي بشرط ان تعيده خلال مدة زمنية قصيرة جدا ، تتحدد مدة القرض الطاقي بكمية الطاقة فكلما ازداد مقدار الطاقة وجبت اعادتها في زمن أقل : ينتج عن هذا ععدد من النتائج المهمة مثل : ( تبعثر الضوء بفعل الذرات ، مفعول النفق و هو عملية اجتياز بعض الجمل الكمومية لحواجز طاقية مرتفعة عن طريق قروض طاقية : يفسر مفعول النفق قدرة العديد من الجسيمات الكمومية على اجتياز بعض الحواجز الطاقية رغم عدم امتلاكها للطاقة اللازمة بنسب احتمالية ، و يدخل هذا في تفسير ظاهرة العناصر المشعة .
صياغة ديراك لميكانيك الكم
قام بول ديراك بوضع ميكانيك الكم بصيغتيه : ميكانيك المصفوفات (بالإنجليزية: Matrix Mechanics) و الميكانيك الموجي (بالإنجليزية: Wave Mechanics) ضمن صياغة أشمل جمعها بنظرية النسبية الخاصة و هذا ما أدى إلى عدد من النتائج الجوهرية أولها :
• إدخال خاصية دوران الأجسام الذرية حول نفسها (بالإنجليزية: Spin) : فالالكترون يدور حول النواة كما يدور حول نفسه و هذه الخاصة دعيت بالسبين (بالإنجليزية: spin). كما اسند للسبين قيمة عددية تشرح خاصيات الدوران الجسيمي :
• تنبأت نظرية ديراك بسويات طاقية ضمن الذرة غير مكتشفة بعد ، فلكل حل يصف الكترونا في سوية طاقية يوجد حل نظير تماما ( كخيال المرآة ) يماثله في الخواص و الطاقة لكن طاقته سالبة ، وجود مثل هذا الجسيم يمكن أن يؤدي في حالات معينة لظهور اجسام شبيهة بالالكترونات ذات شحنة موجبة و طاقة موجبة دعيت بالبوزيترون : و قد ثبت ظهور هذه البوزيترونات في بعض التفاعلات النووية . و كان هذا بداية اكتشاف المادة المضادة التي تنشأ عن جسيمات الطاقة السالبة .
• نتج مبدأ الانتفاء لباولي عندما كان يدرس اجتماع الجسيمات ذات السبين : حيث بين انه لا يمكن لجسيمين كموميين أن يحتلا نفس السوية الطاقية ، فحتى الالكترونين المحتلين لمدار (سوية طاقية) واحد ضمن الذرة يجب أن يكون احدهما ذو سبين +2/1 و الآخر -2/1 و بهذا تكون حالتهما الكمومية مختلفة.
تفسيرات النظرية الكمومية
تقوم النظرية الكمومية بتقديم تصور غريب عن العالم الذري و دون الذري يصدمنا و يبعدنا عن كل ما الفناه في الواقع الحياتي و ما تقدمه الفيزياء الكلاسيكية من تصورات . لكنها بالرغم من كل ذلك تنجح إلى حد بعيد في تفسير حقائق العالم دون الذري و تعزز صحتها يوما بعد يوم بتقديم تنبؤات غريبة لكن كل التجارب العلمية تأتي فيما بعد لتؤكد هذه التنبؤات . كل هذا أدخل ميكانيكا الكم في عمق نقاشات فلسفية حول طبيعة ما تطرحه و مدى قربه من الحقيقة ، حتى أن ميكانيكا الكم طرحت نفس قضية الحقيقة كموضع سؤال ، ومن أهم هذه المناقشات و التجارب الفكرية : قطة شرودنغر و صديق فاغنر .
لقد قدمت عدة وجهات نظر لتفسير نتائج و استنتاجات النظرية الكمومية : أول هذه النظريات يعرف بتفسير كوبنهاجن و يعود بشكل أساسي إلى بور و زملائه ، الذين يؤكدون أن الطبيعة الاحتمالية (بالإنجليزية: probabilistic) لتنبؤات نظرية الكم لا يمكن تفسيرها بأي نظرية حتمية (بالإنجليزية: deterministic) أخرى، و هي صفة أصيلة في الطبيعة التي نعيش بها و ليست نتاجا لنقص في المعرفة و المعلومات نعاني منه . باختصار النظرية الكمومية ذات طبيعة احتمالية لأن الطبيعة ذات طبيعة احتمالية اساسا فما تفعله النظرية الكمومية هو تصوير الأمر كما هو .
على الطرف الآخر وقف أينشتاين أحد مؤسسي الكمومية ليعلن رفضه للاحتمية الكمومية التي تنشأعن احتمالية القياسات ، قائلا ( إن الإله لا يلعب النرد (بالإنجليزية: God doesn’t play dice) ) . كانت هذه العبارة الشهيرة بمثابة رفض قاطع لفكرة ان تكون للطبيعة أصالة احتمالية ، مرجحا فكرة ان هناك نقص في المعلومات المتوفرة لدينا يؤدي إلى تلك الطبيعة الاحتمالية للنتائج وعليه فنظرية الكم ناقصة ينبغي اكمالها عن طريق تعويض النقص بالمعلومات و هو ما دعاه بالمتغيرات الخفية (بالإنجليزية: hidden variables) فعن طريق هذه المتغيرات يمكن صياغة نظرية كاملة ذات طبيعة حتمية.
ظهرت بعد ذلك بعض التفسيرات التي تضاهي بغرابتها نتائج و نبؤات الكمومية مثل نظرية العوالم المتعددة لايفريت، حيث تقول هذه النظرية بأن جميع الاحتمالات التي تطرحها نظرية الكم تحصل فعليا بنفس الوقت في عدد من العوالم المستقلة المتوازية. و بالتالي يكون الكون المتشعب حتميا في حين أن كل كون فرعي لن يكون الا احتماليا.
هناك ايضا تفسير بوم يعود إلى ديفيد بوم و يفترض وجود دالة موجية عالمية غير محلية تسمح للجزيئات البعيدة بأن تتفاعل مع بعضها بشكل فوري . اعتمادا على هذا التفسير يحاول بوم أن يؤكد أن الواقع الفيزيائي ليس مجموعة من الجسيمات المنفصلة المتفاعلة مع بعضها كما يظهر لنا بل هو كل واحد غير منقسم ذو طبيعة حركية متغيرة دوما.
فيزياء الجسيمات
فيزياء الجسيمات Particle physics أحد فروع الفيزياء الذي يدرس المكونات الأولية للمادة و الإشعاع ، إضافة للتآثرات المتبادلة فيما بينهم . يدعى أيضا فيزياء الطاقة العالية ، لأن العديد من الجسيمات الاولية لا تظهر تحت الشروط الطبيعية بل تحتاج لتصادمات collision طاقية عالية للجسيمات الأخرى لكي يتم خلقها و كشفها ، و هذا ما يتم فعله في مسرعات الجزيئات particle accelerator.
الجسيمات الأولية
الجسيمات الأولية عبارة عن جسيمات لا تملك بنية داخلية مقاسة (قابلة للقياس). بمعنى أنها لا تتكون من بنى جسيمية أدنى منها فهي غير مركبة مما هو أدنى بل تشكل كيانا مستقلا تتألف منه بقية العناصر المادية المركبة من ذرات وجزيئات وعناصر. طبعا هذا التعريف لا يعتبر ما يدعى بالأوتار في نظرية الأوتار الفائقة. وتعتبر كلا من البروتون و النيوترون من الجسيمات الأولية رغم شدة الاعتقاد بتكوّن كل منهما من ثلاثة أنواع مختلفة من الكواركات . تعتبر الجسيمات الأولية المكونات الأساسية ضمن نظرية الحقل الكمومي. يمكن تصنيف هذه الجسيمات حسب السبين (دورانها المغزلي spin) حيث تملك بعض الجسيمات سبينا نصف صحيح half-integer (عزما مغزليا =1/2) فتدعى فرميونات والبعض الآخر تملك سبينا صحيحا (عزمها المغزلي = 0 أو 1 ) فتدعى بوزونات.
• ينتمي إلى الفرميونات الإلكترون والبروتون والنيوترون والميزون ، وكذلك نقيض أو معاكس تلك الجسيمات antiparticlesكالبوزيترون و نقيض البروتون و نقيض النيوترون و نقيض الميزون وغيرها.
• وينتمى إلى البوزونات الفوتون وغيره .
فيزياء المواد المكثفة
فيزياء المادة المكثفة (condensed matter physics) هي الفيزياء التي تتعامل مع الخواص الجهرية (Macroscopic) للمواد المختلفة.
عمليا يهتم هذا الفرع بجميع المواد المتكاثفة التي تبدو مؤلفة من عدد كبير من المكونات تتبادل فيما بينها عدد كبير من قوى التآثرات المتبادلة Interactions forces مما يجعل تماسكها قويا و أمثلتها : الأجسام الصلبة Solids و السائلة liquids التي تنشأ نتيجة وجود قوى تجاذب كهربائي بين الذرات . اما أنواع المادة المكثفة الأخرى الأكثر إثارة للإهتمام فهي السوائل الفائقة Superliquids و تكاثفات بوز-اينشتاين Bose-einstein Condensate التي تنشأ في بعض الجمل الذرية في درجات حرارة منخفضة جدا .
الفيزياء الفلكية هي أحد فروع علم الفلك الذي يتناول فيزياء الكون بما في ذلك الخصائص الفزيائية من لمعان وكثافة وتكوين كيميائى للأجرام الكونية مثل النجوم والـمجرات وكذلك تفاعلاتها كما تتداخل الفيزياء الفلكية في عدة مجالات من العلوم منها الفيزياء والكهرومغناطيسية وفيزياء الجسيمات وغيرها . يقوم علماء الفيزياء الفلكية بإجراء دراستهم في هذا الميدان من خلال التلسكوبات التي تمكنهم من رصد الأجرام الفضائية التي ترسل موجات كهرومغناطيسية في شكل ضوء مرئي وأشعة تحت الحمراء.
علم الكون الفيزيائي
علم الكون الفيزيائي كأحد فروع الفيزياء الفلكية هو دراسة البنية الواسعة النطاق للفضاء الكوني ، يهتم علم الكون الفيزيائي بالإجابة عن الأسئلة الأساسية التي تخص الكون و وجوده و تشكله و تطوره . كما يتدخل علم الكون الفيزيائي بدراسة حركات الأجسام النجمية و المسبب الأول first cause . هذه الاسئلة و المجالات كانت لفترة طويلة من اختصاص الفلسفة و تحديدا علم ما بعد الطبيعة أو الميتافيزيقيا ، لكن منذ عهد كوبرنيك ، أصبح العلم هو من يحدد كيفية حركة النجوم و مداراتها و ليس التفكير الفلسفي .
والتطور الفعلي لفهم الكون بدأ في القرن العشرين بعد ظهور نظريتي النسبية لآينشتاين و تحديدا النسبية العامة التي تتحدث عن شكل الفضاء الكوني وهندسته ، وخصوصا بعد التنبؤات الدقيقة التي أكدتها أجهزة الأرصاد الفلكية فيما بعد .
فيزياء هندسية
الفيزياء الهندسية هي شهادة أكاديمية (درجة) ، تعطى غالبًا كبكالوريوس، أو ماجستير، أو دكتوراة. وعلى العكس من الشهادات العلمية الهندسية الأخرى (مثل هندسة الطيران، والهندسة الكهربائية) فإن الفيزياء الهندسية لا تشمل بالضرورة فرع جزئي من العلوم أو الفيزياء، عوضًا عن ذلك الفيزياء الهندسية معنية بتقديم جرعة أكبر من أسس الفيزياء التطبيقية في مجالات عديدة يكون للدارس الحرية في الاختيار من بينها (مثل البصريات، أو تكنولوجيا النانو، أو الهندسة الميكانيكية، أو الهندسة الكهربية، أو نظرية التحكم، أو الديناميكا الهوائية، أو فيزياء الجوامد) . وهذا يفسر لماذا أنه في بعض البلدان يتم تسمية جزء شهادة البكالريوس فقط بالفيزياء الهندسية.
شهادات الفيزياء الهندسية هي شهادة معترف بها في الكثير من البلدان. ومن الجدير بالذكر أنه في العديد من اللغات يتم ترجمة مقرر الفيزياء الهندسية مباشرة إلى الإنجليزية بحيث يصبح (technical physics) أو الفيزياء التقنية. وفي بعض البلدان كلاً مما يطلق عليه "الفيزياء الهندسية" وكلاً مما يطلق عليه "الفيزياء التقنية" هي تخصصات تقود إلى شهادات علمية، الأولى هي تخصص في أبحاث الطاقة النووية ، والثانية هي الأقرب إلى الفيزياء الهندسية.
في الآونة الأخيرة، وكمحاولة حثيثة للم شمل التخصصات للدرجات العلمية المماثة، بعض المؤسسات تستخدم الآن مصطلح العلوم الهندسية.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
|