اثرفوتوالکتریک

اثرفوتوالکتریک یک پدیده ی الکترونیک کوانتومی است که الکترون ها از ماده بعد از گرفتن انرژی از تشعشعات الکترومغناطیسی مانند اشعه ی X یا نور مرئی، جدا می شوند. در این مبحث الکترون های جدا شده را می توان به عنوان فوتوالکترون ها مربوط دانست. این پدیده را به خاطر این که هنریش رادولف هرتز این را کشف کرد، اثر هرتز هم می نامند هر چند که این مورد به کلی خارج از استفاده ماند.

مطالعه ی اثرفوتوالکتریک ما را به قدم هایی مهم در درک خاصیت کوانتومی نور و الکترون ها هدایت می کند و به شکل مفاهیم  دو گانگی موج-ذره اعتبار می بخشد. این بخش هم ممکن است به اثر فوتورسانایی یا اثر فوتو ولتائیک یا فوتوالکتروشیمی مربوط شود.

معرفی--------------------------------------------------------------------------
وقتی که یک سطح فلزی در معرض فرکانسی بالاتر از حد معینی از تابش های الکترومغناطیسی قرار گیرد، نور جذب می شود و الکترون ها جدا می شود. در سال 1902 فیلیپ ادوارد وان لنارد، متوجه شد که انرژی الکترون های جدا شده با افزایش فرکانس یا رنگ نور تابشی افزایش می یابد. این با تئوری جیمز کلرک ماکسول که تبیین می کرد که انرژی با شدت تابش متناسب است، در تناقض بود. در سال 1905 آینشتین این تناقض را با توصیف نور به عنوان تکه های کوانتومی جدا از هم ، که فوتون نامیده شد، به جای موج های پیوسته حل کرد. با توجه به تئوری تابش جسم سیاه ماکس پلانک، آینشتین گفت که انرژی هر کوانتوم از نور برابر است با فرکانس آن ضرب در یک ثابت که بعدها ثابت پلانک نامیده شد. یک فوتون بالاتر از یک حد آستانه می تواند یک الکترون را جدا کند و آن اثر را ایجاد کند. این کشف موجب یک انقلاب در فیزیک کوانتومی شد و به خاطر همین جایزه نوبل سال 1921 را به آینشتین بابت این کشف او دادند.

توضیح-------------------------------------------------------------------------------------------
فوتون های پرتوهای نور یک مشخصه انرژی دارند که توسط فرکانس نور معین می شود. در جریان خروج الکترون از فلز، اگر انرژی دریافتی الکترون از فوتون بیش تر از تابع کار آن باشد آن گاه فوتون از فلز خارج می شود. و اگر هم انرژی کم تر از تابع کار باشد الکترون نمی تواند از سطح فلز خارج شود. افزایش شدت پرتوی نور، تعداد فوتون های یک پرتو را موجب می شود و در نتیجه الکترون های بیش تری خارج می شوند، بدون این که انرژی هر الکترون بیش تر شود. بنابراین انرژی الکترون خارج شده به شدت نور ورودی بستگی ندارد بلکه فقط به انرژی انفرادی فوتون ها بستگی دارد.
الکترون ها وقتی که منتشر شدند می توانند انرژی را از فوتون دریافت کنند ولی از قاعده ی "همه یا هیچ" پیروی می کنند. تمام انرژی یک فوتون می بایستی برای آزادسازی یک الکترون از بند اتم مصرف شود یا دوباره ساتع می شود. اگر انرژی فوتون دریافت شود، مقداری از انرژی صرف آزادسازی الکترون می شود و مابقی آن به انرژی جنبشی الکترون به عنوان یک الکترون آزاد تبدیل می شود.

نتایج تجربی انتشار فوتوالکتریک

1.برای یک فلز و تابش فرودی، میزان این که چه مقدار الکترون خارج شده است مستقیما با شدت نور متناسب است.

2.برای یک فلز معین، یک مقدار معینی از فرکانس وجو دارد که کم تر از آن هیچ گونه الکترونی جدا نمی شود که به این فرکانس، فرکانس آستانه (Threshold Frequency)می گویند.

3. بالاتر از فرکانس آستانه، مقدار انرژی جنبشی فوتوالکترون جدا شده به فرکانس نور واردی بستگی دارد نه شدت نور

4.مدت زمان بین برخورد تابش و انتشار فوتوالکترون بسیار کم است، کم تر از ده به توان منفی نه ثانیهمی باشد.

معادلات
در آنالیز کردن اثر فوتوالکتریک،برحسب روش آینشتین این معادلات استفاده می شود:
انرژی فوتون= انرژی مورد نیاز برای جدا کردن الکترون + انرژی جنبشی الکترون جدا شده. که
به این صورت نمایش می دهند:

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

که:

h ثابت پلانک، f فرکانس نور برخوردی، تابع کار است( برخی مواقع باw نشان می دهند)، کم ترین مقدار انرژی لازم برای جدا کردن الکترون جدا شده از سطح فلز

بیش ترین مقدار انرژی جنبشی الکترون جدا شده است

 f0فرکانس آستانه برای انجام اثرفوتوالکتریک است.

mمقدار جرم باقی مانده از الکترون جدا شده است

v_m سرعت الکترون جدا شده

به خاطر این مسئله که الکترون جدا شده نمی تواند انرژی جنبشی منفی داشته باشد، معادلات نشان می دهند که اگر انرژی فوتون از تابع کار کم تر باشد، هیچ الکترونی جدا نخواهد شد.
با توجه به نظریه نسبیت خاص آینشتین رابطه ی بین انرژیE و تکانهP یک ذره برابر است با: که mجرم باقی مانده ی ذره و c سرعت نور در خلا است.

 مدل سه پله ای
اثر فوتوالکتریک در یک جسم بلورین معمولا به سه مرحله تقسیم می شود:

1. اثر فوتوالکتریک درونی.حفره باقی مانده می تواند موجب پدید آمدن اثرauger شود که حتی در زمانی که الکترون ها از ماده خارج نمی شود هم قابل رویت هست. در جامدهای ملکولی، فوتون ها در این مرحله برانگیخته می شوند و ممکن است به شکل خطی در آخرین تراز انرژی الکترون قابل رویت باشند. اثر فوتوالکتریک درونی مجبور است که دو قطبی شود. قوانین جابه جایی برای اتم ها توسط مدل tight-binding در کریستال ها تبیین می شود. از لحاظ هندسی به نوسان پلاسما شبیه هستند که آن ها مجبورند عرضی شوند.

2.انتقال بالستیکی نیمی از الکترون ها به سطح که مقداری از الکترون ها پراکنده می شوند.

3. الکترون ها از ماده در سطح آن جدا می شود.

در این مدل سه مرحله ای الکترون می تواند چندین راه را برگزیند. تمام این راه ها می تواند به صورت فرمول بندی انتگرالی راه شناخته شود. برای قسمت سطح و ملکول ها، مدل سه مرحله ای بازهم مقداری درک در این مورد می سازد هرچند که اتم ها چندین الکترون دارند که هر کدام می توانند خروج الکترون را پراکنده کند.

تاریخ-----------------------------------------------------------------------------
در سال 1839 الکساندر ادموند بیکیورل اثر فوتوالکتریک را با قرار دادن نور بر روی الکترودی در یک محلول رسانا مشاهده کرد. در سال1873 ویلوبی اسمیت متوجه شد که سلنیوم یک فوتورسانا هست.

دهانه جرقه هرتز
در سال 1887 هنریش هرتز اثر فوتوالکتریک و تولید و دریافت موج های الکترومغناطیسی را مشاهده کرد. او این مشاهدات را در نشریه Annalen der Physik منتشر کرد. دریافت کننده ی او از یک سیم پیچ و یک دهانه جرقه تشکیل شده بود که جرقه به صورت موج الکترومغناطیسی دیده می شد. او دستگاه را در یک جعبه ی تاریک گذاشت تا جرقه را بهتر ببیند هرچند که می دانست طول موج جرقه در جعبه کاهش پیدا خواهد کرد. یک تخته ی شیشه ای بین منبع امواج الکترومغناطیسی و دریافت کننده قرار داد تا تابش های فرابنفش که به الکترون ها کمک می کند تا از شکاف بپرند را جذب کند. وقتی که این تخته برداشته شد طول موج جرقه بیش تر شد. او وقتی که کوارتز را به جای شیشه گذاشت هیچ گونه کاهش طول موجی را در جرقه ندید باوجود این که کوارتز پرتوهای فرابنفش را جذب نمی کند. هرتز از ماه ها تحقیقاتش نتیجه گیری کرد و نتایج به دست آورده را گزارش داد. او تحقیقات در مورد این اثر را ادامه نداد و تلاشی برای توضیح این اثر نداشت.

جی جی تامسون: الکترون ها
در سال 1899 جی جی تامسون در لوله ی کاتدی نورفرابنفش را پیدا کرد. با توجه به کار جیمز کلرک ماکسول، تامسون استنباط کرد که اشعه ی کاتدی از ذرات باردار منفی تشکیل شده است که ّبعدها الکترون نامیده شد که او آن را ذرات نامید. در آزمایشات تامسون یک بشقاب فلزی (کاتد) را درون یک لوله ی خلا قرار داد و آن را در معرض تابش های با فرکانس بالا قرار داد. این طور فکر کردند که میدان نوسان کننده موج الکترومغناطیسی باعث برانگیختن اتم می شود و وقتی که اتم به یک حد خاصی رسید آن گاه شروع به انتشار ذرات(الکترون) می کند و می توان جریان را آشکار کرد. این مقدار با تغییر شدت و رنگ تابش فرق می کرد. تابش با شدت یا فرکانس بیش تر جریان بیش تری را تولید می کرد.
انرژی تابشی

انرژی تابشی
نیکولا تسلا اثر فوتوالکتریک را در سال 1901 توصیف کرد. او تابش ها را به صورت نوسان اتر طول موج های کوچک که اتمسفر را یونیزه کرده اند توصیف کرد. در 5 نوامبر 1901 دستگاه US685957 که برای استفاده انرژی تابش بود را اختراع و ثبت کرد. این دستگاه  بار دار کردن و خنثی کردن رساناها(مانند یک بشقاب فلزی یا قطعه ای از میکا) به وسیله ی تابیدن را توضیح می داد. تسلا از این اثر و با استفاده از یک بشقاب فلزی رسانا برای باردار کردن خازن استفاده کرد. انرژی تابشی با سرعت بسیاری ذرات ریزی (الکترون) را که دارای بار الکتریکی زیادی است را به بیرون پرتاب می کرد. اختراع مشخص می کرد که تابش( انرژی تابشی) شامل شکل های مختلفی بود. این دستگاه ها به عنوان "پله کردن جریان متناوب فوتوالکتریک" می شناختند.

در واقع یک فلز براق توسط انرژی تابشی با بیرون رفتن الکترون ها دارای بار مثبت می شد. وقتی که بشقاب دارای بار مثبت می شد، الکترون ها شکل یک نیروی الکترواستاتیکی را روی بشقاب ایجاب می کردند (به علت انتشار فوتوالکترون از سطح) و بارهای منفی خازن ها را جریان می دادند. به محض این که پرتوها بر روی رساناهای عایق شده (که به یک خازن وصل شده بود) فرود می آمدند، خازن تا مقدار نامعینی شارژ می شد.

مشاهدات وان لنارد
در سل 1902 فیلیپ ادوارد آنتون وان لنارد با فرکانس نور اختلافاتی را در انرژی الکترون ها مشاهده کرد. او از یک لامپ قوسی الکتریکی استفاده کرد که به او اجازه می داد تا تغییرات زیاد را در شدت را بررسی کند و قدرت لازم را برای بررسی تغییرات پتانسیل بافرکانس نور را به او می داد. آزمایش او مستقیما پتانسیل را اندازه می گرفت، نه انرژی جنبشی الکترون: او انرژی الکترون را با توجه به بیش ترین مقدار پتانسیل (ولتاژ) در یک لامپ نور-برقی(فوتوتیوب) به دست آورد. او دریافت که بیش ترین انرژی جنبشی محاسبه شده با توجه به فرکانس نور مشخص شده است.  برای مثال برای آزاد سازی الکترون با افزایش فرکانس، بیشینه ی انرژی جنبشی هم افزایش پیدا می کرد. پرتوهای فرابنفش یک مقدار بیش تری پتانسیل ایستایی برای متوقف کردن جریان در یک لامپ نور-برقی نسبت به نور آبی نیاز دارد. هر چند که به خاطر سختی انجام آزمایش نتایج لنارد بیش تر کیفی بود تا کمی. آزمایشات به قطعه ای از فلز خالصی نیاز داشت که به خوبی پیدا می شد ولی در عرض چند دقیقه اکسیده می شدند حتی در برخی مواقع که در خلا هم استفاده می شد. جریان خارج شده از سطح توسط شدت نور یا روشنایی مشخص می شد: دو برابر شدن شدت نور به معنای دو برابر شدن تعداد الکترون های جدا شده بود. لنارد از فوتون ها چیزی نفهمیده بود.

آینشتین: کوانتوم های نور
توضیحات ریاضیاتی آلبرت آینشتین در مورد چگونه اثرفوتوالکتریک از جذب کوانتوم های نور(که اکنون فوتون نامیده می شود) موجب می شود، در سال 1905 در مقاله ای به نام "یک ایده ی ذهنی در مورد تولید و انتقال نور"منتشر کرد. این مقاله شکل ساده ی "نور کوانتومی" یا همان فوتون، را پیشنهاد می داد و نشان می داد که آن ها چگونه باعث بروز برخی پدیده ها مانند فوتوالکتریک می شد. توضیح ساده ی او بر حسب دریافت کوانتوم های تکی از نور، شکل پدیده و صفات فرکانس را توضیح می داد. توضیح آینشتین در مورد اثر فوتوالکتریک باعث شد تا جایزه نوبل فیزیک سال 1921 را به او بدهند.
ایده ی نور کوانتومی با انتشار قانون تابش جسم سیاه ماکس پلانک ( قانون گسترش انرژی در طیف های معمولی) با فرض کردن این که نوسان دهنده های هرتزی فقط در حالتی می توانند وجود داشته باشند که انرژی با فرکانس نوسان دهنده متناسب باشد یعنی E=H، که h ثابت پلانک است، آغاز شد. با فرض این که نور واقعا از تکه های انرژی جداگانه تشکیل شده است، آینشتین یک معادله برای اثر فوتوالکتریک نوشت که برای آزمایش متناسب است (این توضیح می داد که چرا انرژی فوتوالکترون ها به فرکانس ورودی بستگی داردنه شدت آن: شدت کم و فرکانس زیاد می تواند مقدار کمی از فوتون های با انرژی را تولید کند، جایی که شدت زیاد و فرکانس کم نمی تواند انرژی لازم را برای خارج کردن الکترون تامین کند.) این یک جهش بزرگ نظری بود و حقیقت وجود کوانتوم های نوری به خوبی استقامت پیدا کرد. ایده ی کوانتومی بودن نور با نظریه ی موجی نور که طبیعتا از معادلات جیمز ماکسول برای رفتار الکترومغناطیسی پیروی می کرد، در تناقض بود در مورد فرض کردن تقسیم بی نهایتی نور در سیستم های فیزیکی. حتی بعد ها آزمایشات هم درستی معادلات آینشتیتن را نشان دادند و با معادلات ماکسول که تصحیح و فهمیده شده بود در تناقض بود.
کار آینشتین پیش بینی کرد که انرژی الکترون خارج شده با فرکانس نور به صورت خطی افزایش می یابد. احتمالا تا آن زمان هنوز امتحان نشده بوده است. در سال 1905 متوجه شدند که انرژی فوتوالکترون ها با افزایش فرکانس نور افزایش می یابد نه شدت نور.
تا سال 1915 به صورت عملی این موضوع که شکل افزایش به صورت خطی است مشخص نشده بود تا این که رابرت میلیکان نشان داد که حق با آینشتین بوده است.

تاثیرات بر روی موجی- ذره ای
اثر فوتوالکتریک به پیشرفت درک مفاهیم رفتار موجی-ذزه ای نور کمک کرد. این اثر در قالب شکل کلاسیک نور یعنی شکل موجی آن غیرممکن بود، چون انرژی فوتون های خارجی به شدت نور واردی بستگی نداشت. نظریه کلاسیک پیش بینی می کرد که الکترون ها در یک مدت زمانی می توانند انرژی بگیرند و خارج بشوند. برای نظریه ی کلاسیک برای کار  کردن با حالت پیش بارگیری نیاز است تا در مورد ماده پا فشاری کنیم. ایده ی پیش بارگیری در کتاب  الکترون(+&-) رابرت میلیکان و کتاب اشعه ی X  در نظریه و آزمایشات بحث شده است.

استفاده ها و تاثیرات-------------------------------------------------------------
فوتودیود ها و فوتوترانزیستورها
سلول های خورشیدی (برای استفاده از انرژی خورشیدی) دیودهای حساس نوری از شکل مختلف اثرفوتوالکتریک استفاده می کند ولی از ماده الکترون خارج نمی کند. در نیمه رساناها، نور حتی کم انرژی آن مانند فوتون های مرئی می توانند الکترون های از حالت والانس خود در بیاورند و به رسانایی برسانند، جایی که می توان آن [الکترون]را کنترل کرد و جریان الکتریکی با ولتاژی متناسب با شکاف نواری انرژی تولید کنند.

حس گرهای عکس
در روزهای اولیه ی تلویزیون لوله های دوربین عکاسی از اثرفوتوالکتریک استفاده می کردند و در تغییرات جدید بیش تر از فوتورساناها استفاده می شد.
حس گرهای عکسی سیلیکون مانند سی سی دی ها برای عکاسی ها بسیار کاربرد دارد، آن ها بر پایه یک شکل دیگر از اثرفوتوالکتریک بنا شده اند که فوتون ها، الکترون ها را از نوار والانسشان در نیمه رساناه بیرون می کنند، و البته نه از خود جامد.

الکتروسکوپ ورقه ی طلایی
الکتروسکوپ های ورقه طلا برای شناسایی الکتریسیته ی ساکن طراحی شده اند. الکتروسکوپ ها در شرح اثر فوتوالکتریک بسیار مهم اند. بگذارید بگوییم که الکتروسکوپ دارای بار منفی است. الکترون هایی اضافی وجود دارند و ورقه ها از هم دور شده اند.  حال اگر ما یک نور با فرکانس بالا را روی کلاهک الکتروسکوپ بتابانیم، الکتروسکوپ خنثی می شود و ورقه ها می افتند. این به این علت است که فرکانس تابشی از فرکانس آستانه ی کلاهک بیش تر است. فوتون های موجو در نور انرژی لازم را برای آزاد سازی الکترون ها دارند و بار منفی آن ها را کم تر کند. این یک راه برای خنثی کردن یک الکتروسکوپ دارای بار منفی است و اگر پیش تر برویم، دادن بار مثبت به آن.
اگر تابش الکترومغناطیسی ما فرکانس کافی را برای آزاد سازی الکترون ها را نداشته باشد آن گاه هیچ گاه الکتروسکوپ خنثی نمی شود حتی اگر مدت زیادی هم نور را بر روی کلاهک بگیریم.

طیف بینی فوتوالکترون
از آن جایی که انرژی فوتوالکترون خارج شده برابر است با انرژی فوتون ورودی منهای تابع کار ماده یا همان انرژی پیوندی، تابع کار یک نمونه را می توان با بمباران کردن توسط  منبع تکفام اشعه ی ایکس یا منبع تابش فرابنفش و اندازه گیری انرژی جنبشی الکترون های خارج شده، مشخص کرد.
طیف بینی فوتوالکترون در یک محیط خلا انجام پذیر است چون الکترون ها ممکن است توسط ملکول های هوا منحرف بشوند.  

فضاپیما
اثرفوتوالکتریک موجب آن می شود که بدنه فضاپیما که در معرض نور خورشید است دارای بار مثبت شود. این می تواند به ده ها ولت برسد. این می تواند به یک مشکل بزرگ تبدیل شود و منطقه ی در سایه را دارای بار منفی کند(بالای چند کیلو ولت). عدم تعادل می تواند در طول ترکیبات حساس الکتریکی خنثی شود. الکتریسیته ساکن تولید شده توسط فوتوالکتریک توسط خودش محدود شده است. چون اشیا دارای بار الکتریکی زیاد الکترون هایش را کم تر از دست می دهد.

غبار های ماه
نور خورشید می تواند خاک ماه را دارای بار الکتریکی کند. آن گاه این گرد و غبار باردار شده به خاطر بارش از خودش دور می شود. این یک جور از خاک را آشکار می کند که به صورت یک مه تیره از دور نمایان می شود و وقتی که خورشید غروب کرد به صورت تابش تیره رنگی نمایان می شود. این مورد اولین بار در دهه 1960 معلوم شد. این جور فکر کردند که قطعات بسیار ریز تا ارتفاع چندکیلومتری بالا می رود و ذرات به محض این که باردار و خنثی می شوند به صورت فواره در می آیند.

دستگاه های دید در شب
فوتون ها یک آرسنیک گالیم را در دستگاه دید در شب مورد هدف قرار می دهند و موجب خروج فوتوالکترون می شوند. بعد این ها در یک آبشار از الکترون ها تقویت می شوند و موجب روشن شدن فسفر می شوند.

---

هابل و کشف نیمی از ماده ی باریونی گمشده جهان

سوم خرداد 1387 / 23 می 2008 : اگر چه جهان صدها میلیون کهکشان را در بر میگیرد، فقط اندازه ی کوچکی از ماده ی آن در میان این توده ی عظیم کهکشان ها مسکن گزیده است! بیشترین مقدار ماده ی جهان که در مدت انفجار بزرگ و بعد از آن شکل گرفته است، باید در جای دیگری یافت شود ... [ نجوم و اخترفیزیک ] هم اکنون در جستجویی گسترده از جهان ما، منجمان بر این گفتارند که سرانجام    توانسته اند حدود نیمی از ماده ی معمول گم گشته را - که باریونها نام دارند - در فضای بین کهکشان ها بیابند. این قسمت مهم از جهان که به عنوان مسافر بین کهکشانی شناخته شده است، اساسا در فضا - از خارج از کهکشان راه شیری ما گرفته تا دورترین نقاط رصد شده ی عالم ما -گسترانیده شده است. هم اکنون سوالاتی چون : "باریون های مذکور کجا رفته اند؟" و "ویژگی های آن ها چیست؟" با اطمینان بیشتری از همیشه پاسخ داده میشوند. مایک شال از دانشگاه کلورادو میگوید: "ما فکر میکنیم  که در حال مشاهده ی گوشه ای از ساختاری تار مانند هستیم که اسکلت اصلی جهان را تشکیل میدهد. واقعیت جزئی را که ما تایید میکنیم این است که فضای میان کهکشانی که به نظر میرسد خالی باشد، در واقع بخش عظیمی از ماده ی معمول باریونی جهان را تشکیل میدهد." سری مشاهدات هابل که نزدیک به یک دهه ی پیش توسط تود تریپ و همکارانش انجام گرفته بود برای اولین بار پیدایش داغ ترین زیر ساختار از این ماده گم شده در جهان ما را نشان داد. مطالعه ی آنها به وسیله ی مشاهدات طیف سنجی یک کوازار در طول مسیر فضایی منتهی به کوازار برای یافتن گاز جذب کننده ی میان کهکشانی انجام گرفت. باریون ها همان پروتون ها، نوترون ها، و دیگر ذرات زیر اتمی هستند که ماده ی معمول مانند هیدروژن، هلیوم و دیگر عناصر سنگین تر را تشکیل میدهند. ماده ی باریونی ستارگان، سیارات، اقمار و حتی گاز و غبار میان ستاره ای را شکل میدهد که باعث به وجود آمدن ستارگان میگردند. تذکر منجمان بر این مبنی است که ما نباید ماده ی باریونی گم شده را با ماده ی تاریک جهان - حالت مرموز و عجیبی از ماده که تنها با نیروی گرانش آن ردیابی میشود -  اشتباه بگیریم. دنفورد و شال از دپارتمان اختر فیزیک و علوم سیاره ای دانشگاه کلورادو در بولدر،   به جست و جوی ماده ی گمشده ی باریونی با استفاده از نور کوازارهای دور پرداختند تا بتوانند صحت ساختار تار مانندی را که فضای پنهان محسوس را در میان کهکشان ها گسترانده است تایید کنند؛ مانند درخشیدن یک چراغ قوه در میان مه! منجمان بااستفاده  از STIS نصب شده بر روی تلسکوپ فضایی هابل و اکسپلورر FUSE سازمان فضایی آمریکا، گاز داغی را کشف کردند که اکثر آن را اکسیژن و هیدروژن تشکیل میدهد. این گاز داغ یک ساختار سه بعدی از فضای میان کهکشانی را ترسیم میکند. STIS    و  FUSE  اثر انگشتهایی طیفی از اکسیژن و هیدروژن ترکیب شده در نور کوازارها را نیز ردیابی کردند. نور کوازار مذکور برای کشف بیش از 650 فیلامنت هیدروژن در ساختار کیهانی اندازه گیری شد. هشتاد و سه فیلامنت در حالی یافت شدند که در تماس با اکسیژن یونیزه شده ی بالایی قرار گرفته بودند که در آن پنج الکترون کاملا ناپدید شده بود. نتایج حاکی از آن است که حضور اکسیژن یونیزه شده ی بالا و دیگر عناصر در بین    کهکشان ها برای کشف مقادیر عظیمی از هیدروژن داغ، پنهان و یونیزه شده در جهان مورد توجه قرار میگیرد. اکسیژن رادیو اکتیو شده احتمالا در زمانی شکل گرفته است که ستارگان در حال انفجار در  کهکشان ها، اکسیژن را به فضای میان کهکشانی جاری میساختند. فضای میان کهکشانی همان حایی است که اکسیژن با هیدروژن متصور وجود به وسیله ی یک شوک موجی ترکیب شده بود که این شوک موجی اکسیژن را تا دماهای بسیار بالا گرم کرد. این تیم همچنین حدود 20 درصد از باریون هایی را یافتند که اشاره به فضاهای خالی میان فیلامنت های تار مانند دارند. درون این فضاهای خالی، کهکشان های کوتوله یا  قسمت های کوچکی از ماده ی تبدیل شونده به ستارگان و کهکشان ها در طول صدها میلیون سال، میتوانند امکان شکل گیری را پیدا کنند. تایید صحت این ساختار کیهانی عظیم هدفی کلیدی برای طیف سنج نقاط اولیه ی کیهانی(COS) خواهد بود. COS ابزار علمی جدیدی است که فضانوردان قصد دارند آن را در مدت ماموریت سرویس دهی شماره ی 4 هابل در سال آینده بر روی آن نصب کنند. شال میگوید: "COS این اجازه را به ما خواهد داد تا نمونه هایی جزئی تر و قوی تر از   هسته ی این ساختار تار مانند کیهانی به دست آوریم. ما پیش بینی میکنیم که COS مقدار بسیار بیشتری از این ماده ی باریونی را پیدا خواهد کرد. هدف ما این است تا وجود این ساختمان تارمانند کیهانی را با نقشه برداری از ساختار آن، اندازه گیری فلزات سنگینی که در آن یافت میشود و همچنین با استفاده از دمای آن تایید کنیم. مطالعه ی این ساختمان کیهانی به ما این شانس را میدهد تا بفهمیم که کهکشان ها چگونه در دوره های زمانی مختلف شکل گرفته اند."

گرانش کوانتومی(مختصری بر نظریه تار یا ابر ریسمان)

در ابتدای قرن بیستم دو نظریه ی مهم در فیزیک پایه گذاری شد، مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت. بر خلاف موفقیت های فراوانی که هر کدام از این نظریه ها به طور جداگانه بدست آوردند، با یکدیگر ناسازگار به نظر می رسیدند. این تناقض در قلب فیزیک نظری همچنان یکی از جنجالی ترین مطالب علم است. [ مقالات متفرقه ] در ابتدای قرن بیستم دو نظریه ی مهم در فیزیک پایه گذاری شد، مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت. بر خلاف موفقیت های فراوانی که هر کدام از این نظریه ها به طور جداگانه بدست آوردند، با یکدیگر ناسازگار به نظر می رسیدند. این تناقض در قلب فیزیک نظری همچنان یکی از جنجالی ترین مطالب علم است. نظریه نسبیت عام در محاسبه ی دقیق گرانش موفق عمل می کند. اگر در میدان گرانش، مکانیک کوانتومی را به کار بگیریم، به گرانش کوانتومی دست می یابیم. در نگاه اول ساختن نظریه گرانش کوانتومی مشکل تر از نظریه ی الکترو دینامیک کوانتومی به نظر نمی رسید. الکترو دینامیک کوانتومی نیم قرن پیش ابداع شد. اساس QED یا همان الکترو دینامیک کوانتومی توصیف نیروهای الکترو مغناطیسی بر حسب تبادل ذراتی است که آنها را فوتون می نامیم. به عبارت دیگر فوتون کوانتای میدان الکترومغناطیس است. این فوتون ها گسیل شده و بلافاصله جذب می شوند. در نتیجه گسیل و جذب فوتون ها انرژی و تکانه ذرات ثابت نمی ماند. بنابر این دافعه ی الکتروستاتیک بین دو الکترون را می توان در نتیجه ی گسیل فوتون از یک الکترون و جذب آن توسط الکترون دیگر دانست. به طور مشابه می توان جاذبه ی گرانشی بین دو جسم را در نتیجه ی تبادل گراویتون ، یعنی کوانتای میدان گرانشی ، دانست. این واقیعت که تا کنون گراویتون توسط هیچ وسیله ای آشکار نشده است، چندان تعجب آور نیست، چون نیروی گرانشی بسیار ضعیف تر از نیروهای مغناطیسی و الکتریکی است. ثابت می شود که تبادل گراویتون بین جرم های نقطه ای باعث ایجاد میدان گرانشی با قانون معروف عکس مجذور فاصله می شود. اما هنگامی که فرآیند های پیچیده تر ، که در آنها تعداد زیادی گراویتون وجود دارند، در نظر گرفته می شود مشکلی به وجود می آید. یک فرق مهم بین میدان گرانشی و الکترومغناطیسی وجود دارد. میدان گرانشی غیر خطی است. این غیر خطی بودن از آنجا ناشی می شود که میدان گرانشی شامل انرژی است و این انرژی دارای معادل جرم است که میان ان جرم ها مجددا نیروی گرانشی وجود دارد. به زبان کوانتومی این مطلب بر این نکته دلالت دارد که گراویتون ها با گراویتون های دیگر اندرکنش می کنند، در حالی که فوتون ها با بارهای الکتریکی و جریان ها اندرکنش دارند و با هیچ فوتون دیگری اندرکنش ندارند. چون بین گراویتون ها اندرکنش وجود دارد می توان گفت که ذرات مادی با شبکه ی پیچیده ای از گراویتون ها احاطه شده است که حلقه های بسته ای را تشکیل می دهند، مانند یک درخت پر از شاخ و برگ. در نظریه میدان کوانتومی حلقه های بسته نشانه ی درد سر می باشند و موجب تولید جواب های بی نهایت در محاسبه ی فرآیند های فیزیکی می شوند.در QED  این مسئله هنگامی به وجود می آید که یک الکترون فوتونی را گسیل و مجددا جذب کند. بی نهایت های بدست آمده را با یک روش ریاضی با نام «باز بهنجارش» بر طرف می کنند. اگر این روش به درستی به کار گرفته شود، جواب های قابل قبولی به دست می آید.چون در QED  جواب های بی نهایت را می توان با این روش مشخص برداشت به ان یک نظریه ی «باز بهنجار پذیر» می گویند. روش یاد شده مجمو عه ای از اعمال ریاضی است که برای برداشتن بی نهایت ها کافی است. متاسفانه هنگامی که مکانیک کوانتومی را در نسبیت عام به کار می گیریم چنین روشی وجود ندارد. بنابر این در این حالت نظریه بازبهنجار نا پذیر است. هر فرآیند شامل حلقه های بسته ی بیشتر و بیشتری از گراویتون ها خواهد بود که موجب جملات بی نهایت بیشتری می شوند . وجود این جملات بی نهایت باعث می شود نظریه گرانش کوانتومی برای بررسی اکثر پدیده های طبیعی بی استفاده شود و این فکر را بوجود آورد که چیزی اساسا در نظریه ی نسبیت عام یا مکانیک کوانتومی و یا هردو غلط است. در چند دهه ی گذشته تلاش های زیادی برای گریز از بازبهنجارناپذیری در گرانش کوانتومی شده است.  برجسته ترین آنها نظریه « تار» یا « ابر ریسمان» است. این نظریه بر این فرض بنا شده است که کوچکترین چیزی که دنیای فیزیکی از آن ساخته شده است ذرات نیستند، بلکه تارهایی می باشند که 20^10 بار کوچکتر از هسته ی اتم هستند.مدهای ارتعاشی مختلف این تارها را می توان به ذرات گوناگونی مانند الکترون ها ، کوارک ها، نوتریون ها، فوتون ها، گراویتون ها و دیگر ذرات نسبت داد. بین تار ها مانند ذرات اندرکنش وجود دارد، اما وقتی فرآیندهایی که شامل حلقه های بسته باشند مورد امتحان قرا گیرند، جواب هایی که بدست می آیند دیگر بی نهایت نیست. مقیاس انرژی ها در نظریه تار از مرتبه ی (بخوانید گیگا الکترون ولت) 19^10Gev است. این انرژی 17^10 بار بیشتر از انرژی است که در حال حاظر بزرگترین شتاب دهنده های ذرات می توانند تولید کنند.بنابر این به نظر می رسد که مشاهده ی ساختار ریسمانی ماده غیر ممکن باشد. فیزیک دانان نظری امید دارند که در حد انرژی های کمتر و قابل دسترس بتوانند نظریه های فیزیکی آشنا تر مانند نسبیت عام، الکترومغناطیس،نیروهای ضعیف و قوی هسته ای و ذرات بنیادی آشنا را به عنوان تقریبی از نظریه تار بیرون بکشند. بنابر این نظریه ابر ریسمان یک توصیف پذیرفته شده از گرانش کوانتومی نیست، بلکه تلاشی برای وحدت نیرو ها و ذرات بنیادی است که آلبرت انبشتین آرزوی تحقق آن را داشت. متاسفانه تا کنون نظریه تار واحدی وجود ندارد و همچنین حد پایین انرژی واحدی نیز برآورده نشده است. برای مدت ها این مسئله مانند یک مانع بزرگ می نمود اما در سال های اخیر یک راهکار ریاضی مجرد با نام « نظریه ی M» ساخته شده است و معلوم شده است که این نظریه، نظریات ابر ریسمان کوناگون را در بر می گیرد. هنوز زود است که گفته شود نظریه ی M  در نهایت بین گرانش و کوانتوم آشتی ایجاد کند ، ولی اگر این نظریه مطابق انتظارات باشد می بایست واقعیت های بنیادی دنیای فیزیک را توضیح دهد. به عنوان مثال فضا- زمان چهار بعدی می باسیت از نظریه بیرون آید ، بدون آنکه خودمان آن را به نظریه بیفزاییم. نیروها و ذرات طبیعت نیز می بایست بر اساس خواص کلیدی شان مانند قدرت اندرکنش ها و جرم هایشان توضیح داده شوند. به هر صورت تا زمانی که نتوان در حد انرژی شتاب دهنده های موجود نظریه M را مورد امتحان قرار داد، این نظریه در حد یک تمرین زیبای ریاضی باقی خواهد ماند. نویسنده: دکتر داوود افشار منبع :http://physicsshokuhi.parsibox.com

گوش دادن به صدای سیاهچاله ها

دانشمندان ابررایانه جدیدی طراحی کردند که به کمک آن می توانند امواج ناشی از فعل و انفعالات سیاهچاله ها را بشنوند [ اخبار فیزیک ] ایسنا؛ دانشمندان ابررایانه جدیدی طراحی کردند که به کمک آن می توانند امواج ناشی از فعل و انفعالات سیاهچاله ها را بشنوند. این ابررایانه موسوم به SUGAR در دانشگاه سیراکیوس در امریکا مونتاژ می شود. ابررایانه SUGAR به زودی انبوهی از داده ها را از انستیتو فناوری کالیفرنیا دریافت خواهد کرد. SUGAR مجموعه یی از ۸۰ رایانه است که با قدرت ۳۲۰ سی پی یو و ۶۴۰ گیگابایت و با قابلیت دسترسی رندم به حافظه جمع شده است. این ابررایانه مجهز به سیستم داده یی LIGO است که برای تشخیص امواج جاذبه یی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. این امواج در رخدادهای عظیم در کائنات دوردست مانند برخورد سیاهچاله ها یا انفجارات ابرنواخترها تولید می شوند. در حالی که «آلبرت اینشتین» وجود این قبیل امواج را در تئوری نسبیت خود در سال ۱۹۱۶ پیش بینی کرده بود اما چندین دهه طول کشید تا فناوری لازم برای شناسایی امواج مزبور به دست بشر ساخته شود.

چند لینک

کتابخانه ملی ایران
کتابخانه امید-دانلودرایگان کتابهای الکترونیکی
کتابخانه مجازی فارسی-دانلودایبوک ها وکتابهای رایگان فارسی قفسه
جستجوگرکتابهای فارسی
سایت موسسه فرهنگی واطلاع رسانی تبیان
روزنامه همشهری
روزنامه کیهان
روزنامه ایران
ایران ورزشی
وب سایت فارسی صدای آمریکا
اخبارایران وجهان
بازتاب
سایت خبری حوادث روز
آخرین اخبار خبرگزاریها و سایتهای خبری فارسی
باشگاه خبرنگاران جوان
خبرگزاری آموزش وکنکور
جهان فوتبال
بخش فارسی یونیسف
سایت آیت الله منتظری
دکترعبدالکریم سروش
محمد خاتمی
یادداشت های شخصی محمود احمدی نژاد
سایت نغمه-موسیقی
فهرست سایت های ایرانی
سایت طراحی رایگان بنر
سایت سرگرمی ها ودانستنیها
سایت علمی- آموزشی ـ فرهنگی و ...(آفتاب)
خبر گذاری فارس
لینکهای عمومی آموزش و پرورش
آموزش نیوز
اهل سنت جنوب
تئوری سی پی اچ
دانشنامه رشد
پژوهشگاه اطلاعات و مدارک علمی ایران
پژوهش
دبیر خانه شورای عالی انقلاب فرهنگی
هدف
شبکه علمی معین
پایان نامه های دانشجوئی
افکار سنجی ایسپا
شبکه فیزیک هوپا
نیاز مشتری در ایران
آسمان پارس
ستاره پارسی
آسمان پارس-ستاره شناسی
علمی- نجوم
ایرانیکا- پایگاه اطلاعات علمی هر زمینه
دانش فضایی
آموزش فیزیک
سازمان فضائی ایران
تصاویر فضا
سازمان فضائی ناسا
انیمیشن علمی
اطلاع رسانی آل البیت
سرشماری نفوس و مسکن
خبرگزاری دانشجویان ایران
بهبود و کیفیت بخشی به فرایند آموزش
ایران سلامت
کتابخانه الکترونیک شمال
غریزه
سایت فرهنگی ازدواج
ازدواج موقت
ازدواج موقت وهمسریابی
سایت تخصصی موبایل
روانشناسی کودک
لیست وبلاگهای به روز شده
شیعه شدکان
سایت کودکان
همدردی- مرکز مشاوره اینترنتی
شیعه چه میگوید؟