آغاز آزمایش انفجار بزرگ

شتاب دهنده LHC‌ که پس از 20 سال تلاش هزاران دانشمند متخصص و صرف حدود 10 میلیارد دلار دیروز نخستین آزمون خود را سپری کرد توانست از نخستین مرحله این آزمون سربلند بیرون آید . . . [ کوانتوم و فیزیک جدید ] ساعت 12:06 دقیقه دیروز چهارشنبه به وقت تهران زمانی که مونیتورهای نصب شده بر اولین حسگر شتاب دهنده LHC‌ در مقر کنترل این ماشین در ژنو عبور ذره ورودی به این ماشین را در مسیر درست خود تایید کرد موجی از شادی دانشمندانی را که بیش از 20 سال بر این پرو‍ژه فعالیت می کردند در بر گرفت   تونل اصلی شتاب دهنده سرن شتاب دهنده LHC‌ که پس از 20 سال تلاش هزاران دانشمند متخصص و صرف حدود 10 میلیارد دلار دیروز نخستین آزمون خود را سپری  کرد توانست از نخستین مرحله این آزمون سربلند بیرون آید. این شتاب دهنده حلقوی که بزرگترین شتاب دهنده جهان و در عین حال بزرگترین ماشین علمی است که تا کنون انسان دست به ساخت آن زده است،‌ در اولین مرحله فعالیت خود پروتونی را در مسیر 27 کیلومتری لوله شتاب دهنده که در زیر سطح مرز فرانسه و سوییس نصب شده است،‌در هر دو جهت ساعت گرد و پاد ساعت گرد شتاب داد تا دقت کامل دستگاه و توانایی آن در انجام این عملیات در مراحل آینده و با استفاده از توان بیشتر ابزار را تایید کند. زمانی که این دستگاه با تمام توان خود مورد بهره برداری قرار بگیرد،‌انتظار می رود دانشمندان بتوانند شرایط جهان را در نخستین کسرهای ثانیه پس از شکل گیری کیهان بررسی کنند و مسایلی نظیر ابعاد بالاتر،‌اتحاد نیروها و بسیاری از نکات مهم دیگر که در دو حوزه کیهان شناسی و فیزیک ذرات مورد توجه است را توضیح دهد. شادی دانشمندان پس از اعلام موفقیت اولیه شتاب دهنده .  . . . . . . . . . . . . . . . . . پیش بینی می شود مجموعه داده هایی که LHC‌ در مدت یک سال تولید خواهد کرد به بیش از 15پتا بایت داده (15 میلیون گیگا بایت) برسد که برای پردازش آن به بیش از 100 هزار کامپیوتر نیاز است. به همین دلیل سرن – که خود محل تولد وب و اینترنت به معنی امروزی آن است – از مدتی پیش طرح گراید یا تور را دنبال می کند که بتواند با به اشتراک گذاشتن توان محاسبه رایانه ها از آنها برای تحلیل سریعتر داده های LHC‌استفاده کنند. موفقیت دیروز تنها آغاز راه عملیات بزرگترین ماشین علمی تاریخ بشریت بود. .   . http://www.nojumnews.com

نیروگاه بوشهر چگونه برق تولید می کند

فرآیند تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه هسته‌ای را می‌توان به سه مرحله کاملاً مجزا تقسیم کرد که در سه مدار مستقل شامل مدار اول، مدار دوم و مدار خنک کننده انجام می‌پذیرد.

فارس: علیرغم پیچیدگی فناوری یک نیروگاه هسته‌ای از نوع نیروگاه بوشهر فرآیند تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه هسته‌ای را می‌توان به سه مرحله کاملاً مجزا تقسیم کرد که در سه مدار مستقل شامل مدار اول، مدار دوم و مدار خنک کننده انجام می‌پذیرد.

مدار اول

شکافت اورانیوم غنی شده در راکتور منبع تولید انرژی به صورت گرمایی است. این انرژی گرمایی توسط آب مدار اول که در یک مسیر بسته (چهار حلقه) جریان دارد به مولدهای بخار منتقل می‌شود. مولد بخار یک مبدل حرارتی است که آب مدار اول درون لوله‌های U شکل فولادی آن جریان دارد و آب مدار دوم در یک سیکل کاملاً مجزا با گردش در اطراف این لوله‌ها، ضمن برداشت حرارت به بخار تبدیل می‌شود. آب مدار اول پس از خروج از مولد بخار توسط پمپ مدار اول برای برداشت مجدد گرما به راکتور بازگردانده می‌شود.

مدار دوم

در مدار دوم، بخار تولید شده در مولد بخار به توربین هدایت شده و در آن جا به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود (چرخش توربین به طور مستقیم ژنراتور نیروگاه را به حرکت درآورده که منجر به تولید انرژی الکتریکی می‌شود). سپس بخار خروجی از توربین به وسیله کندانسور به آب تبدیل شده و مجدداً برای تکمیل و تکرار این چرخه به مولد بخار بازگردانده می‌شود.

مدار خنک کننده

برای چگالش بخار خروجی از توربین، آب دریا به عنوان خنک کننده، در یک مدار کاملاً مجزا از مدار دوم توسط پمپ های سیرکولاسیون به کندانسور هدایت می‌شود و پس از برداشت گرما از طریق یک کانال روباز به طول 400 متر و به دنبال آن چهار تونل 1200 متری در زیر بستر دریا در عمق 7 متری به دریا باز می‌گردد.

نقش اصلی راکتور در نیروگاه هسته‌ای تولید انرژی گرمایی است. فرآیندی که در این راکتور سبب تولید گرما می شود شکافت هسته‌ای نام دارد. شکافت، فرآیندی است که در طی آن یک هسته اتم سنگین به دو یا چند هسته کوچک‌تر تبدیل می‌شود و ضمن این عمل مقداری انرژی به صورت گرما و تابش ساطع می‌گردد.

در نیروگاه هسته‌ای با آب سبک، فرایند شکافت غالباً توسط نوترون‌های حرارتی انجام می‌گیرد. هسته اورانیوم 235 پس از جذب نوترون ناپایدار شده به دو یا چند جز به نام شکاف‌ پاره تقسیم می‌شود. علاوه بر شکاف‌پاره‌ها، دو تا سه نوترون به علاوه مقداری انرژی و ذرات آلفا، بتا و تابش گاما نیز در هر شکافت به دست می‌آید (نوترون‌های آزاد شده به طور متوسط دارای انرژی Mev2 بوده که برای انجام شکافت هسته اورانیوم 235 بایستی انرژی جنبشی خود را از دست داده، با اتم‌های محیط خود به تعادل حرارتی دست یابند، یعنی انرژی آنها به چند صدم ev برسد. این عمل در نتیجه برخوردهای متوالی نوترون با هسته اتم‌های هیدروژن مولکول‌های آب درون راکتور صورت می‌گیرد). به این طریق، یک عمل شکافت می‌تواند منجر به شکافت‌های دیگری شود که آنها هم به نوبه خود شکافت‌های دیگری را به دنبال خواهند داشت. به این واکنش که به صورت تسلسلی شکل ادامه می‌یابد، واکنش شکافت زنجیره‌ای گویند. لازم به ذکر است که پایدار ماندن واکنش زنجیره‌ای در قلب راکتور مستلزم وجود جرم بحرانی در قلب راکتور می‌باشد.

انرژی آزاد شده از فرایند شکافت به گرما تبدیل می‌شود. حرارت تولید شده توسط آب مدار اول برداشت شده، به آب مدار دوم انتقال می‌یابد و در مدار دوم برای تولید بخار و چرخاندن توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تنظیم مقدار انرژی آزاد شده در یک راکتور هسته‌ای با تعداد شکافت‌هایی که اتفاق می‌افتد، کنترل می‌شود. این عمل با کنترل کردن تعداد نوترون‌هایی که برای انجام عمل شکافت موجود می‌باشد صورت می‌گیرد. هر چه تعداد چنین نوترون‌هایی کمتر باشد، تعداد شکافت‌ها نیز کمتر است. یکی از روش‌های رسیدن به چنین کنترلی، این است که ماده‌ای را در راکتور قرار دهند که به آسانی نوترون‌ها را جذب کند،‌ بنابراین با تنظیم مقدار این ماده در راکتور، تعداد نوترون‌های موجود برای عمل شکافت می‌تواند به میزان مطلوب تنظیم شود.

راکتور نیروگاه هسته‌ای بوشهر از نوع آب سبک تحت فشار می‌باشد که توان تولید Mw(t)3000 انرژی گرمایی را داشته و متشکل از یک پوسته از جنس فولاد کربنی است که با فولاد ضد زنگ پوشش داده شده است و درون آن قلب راکتور (Core)، سپر حرارتی و نوترونی (Core baffle)، نگهدارنده قلب (Core barrel، محافظ کانال‌های هادی (Protective Tube Unit) قرار گرفته و توسط درپوش راکتور (Upper Unit) بسته می‌شود. آب که به عنوان کند کننده
نوترون و خنک کننده استفاده می‌شود، توسط پمپ‌های مدار اول با فشار bar157 و حرارتی C291 از طریق 4 نازل خط سرد (Cold Leg) وارد راکتور می‌شود و پس از برداشت حرارت از قلب راکتور با حرارت C321 از طریق 4 نازل خط گرم (Hot Leg) به سمت مولدهای بخار هدایت شده و در آنجا با تبادل حرارت با آب مدار دوم بخار تولید می‌شود.

منبع تولید گرما، سوخت هسته‌ای از نوع دی اکسید اورانیوم غنی شده با غنای 02/4%، 62/3%، 4/2%، 6/1% می‌باشد. سوخت هسته‌ای به صورت قرص‌های استوانه‌ای به قطر 57/7 و ارتفاع 12 میلی متر ساخته شده که درون میله‌های سوخت قرار دارد.

تعداد 311 میله سوخت با آرایش شش ضلعی، یک مجتمع سوخت را می‌سازند و تعداد 163 مجتمع سوخت در کنار هم قلب راکتور را تشکیل می‌دهند. مکانیزم تولید گرما، واکنش هسته‌ای شکافت اورانیوم و تبدیل آن به پاره‌های شکافت سبک‌تر است که همراه با آزاد شدن انرژی و تولید نوترون برای ادامه این زنجیره است.

کنترل واکنش هسته‌ای و در نتیجه کنترل راکتور به کمک اسیدبوریک محلول در آب، به همراه میله‌های کنترل که به محرک‌های سیستم کنترل و حفاظت متصل است، انجام می‌شود.

اجزای راکتور

1- محرک میله‌های کنترل
2- درپوش راکتور
3- پوسته اصلی راکتور
4- نگهدارنده قلب راکتور
5- محافظ کانال‌های هادی
6- قلب راکتور
7- ورودی خنک کننده
8- خروجی خنک کننده

مجموعه توربین بخار K – 1000 – 3000/60 – 3 با قدرت نامی 1000 مگاوات و سرعت 3000 دور در دقیقه جهت به حرکت درآوردن ژنراتور جریان متناوب به کار می‌رود. ژنراتور به همراه مجموعه توربین بر روی یک سازه بتنی سوار شده که این سازه به صورت مجزا از سازه اصلی ساختمان توربین، بر روی فنرهای مخصوصی (جهت خنثی کردن ارتعاشات ناشی از دورهای بحرانی) قرار گرفته است. توربوست نیروگاه اتمی بوشهر شامل چهار توربین از جمله یک توربین فشار بالا و سه توربین فشار پایین می‌باشد. مجموعه توربین مذکور تک محوری و هر چهار توربین از نوع دو طرفه متقارن است که در هر طرف دارای پنج ردیف پره می‌باشند. روتور توربین‌های فشار پایین و فشار بالا به روش آهنگری و به صورت یکپارچه و بدون سوراخ مرکزی ساخته می‌شود که این کار باعث کاهش تمرکز تنش در روتور خواهد شد.

سیکل آب و بخار نیروگاه اتمی بوشهر این گونه است که بخار تولید شده در مولدهای بخار به ساختمان توربین هدایت و با حداکثر، رطوبت 2/0% و فشار bar8/58 r وارد توربین فشار قوی شده و پس از انجام کار به علت کاهش فشار و حرارت اولیه مرطوب می‌شود. برای این که این رطوبت به پره‌های توربین فشار ضعیف آسیب نرساند، بخار خشک و مجدداً گرم می‌شود تا به پارامترهای مطلوب دست یابد و پس از آن با فشار bar8/6 r به توربین فشار ضعیف هدایت می‌شود، به دنبال آن در کندانسور تغییر حالت داده، طی مراحلی احیا شده (پیش گرم و گاززدایی گردیده و تا C 222 درجه گرم می‌شود) و مجدداً به مولدهای بخار باز می‌گردد.

واحد توربین نیروگاه اتمی بوشهر دارای مدار پیشرفته احیاء از جمله چهار مرحله هیتر فشار پایین، دئراتور (هوازدا)، یک مرحله هیتر فشار بالا و پمپ انتقال کندانس بخار گرم کننده است.

تمام هیترهای فوق به غیر از دئراتور که از نوع مخلوطی است. از نوع تبادل حرارت سطحی می‌باشند. تمام هیترهای احیاء کننده غیر از هیتر فشار پایین شماره چهار و دئراتور، شامل دو پوسته می‌باشند و در دو خط موازی قرار دارند.

ژنراتور

ژنراتور نیروگاه اتمی بوشهر از نوع سنکرون سه فاز می‌باشد که سیم پیچ استاتور آن با آب خنک می‌گردد. خنک کننده روتور و هسته استاتور آن نیز هیدروژن می‌باشد. قدرت خروجی آن 1000 مگاوات و دارای دو قطب بوده و با مارک صنعتی TBB – 1000- 27/2 – T3 معرفی می‌شود. ولتاژ خروجی استاتور آن نیز kv27 می‌باشد.

پست

نیروگاه اتمی بوشهر دارای دو پست kv230 و kv400 می‌باشد که پست kv400 از نوع GIS (گاز ایزوله کننده بین کنتاکت‌ها) بوده و از طریق دو خط به پست چغادک و شبکه سراسری متصل می‌گردد و پست kv230 از نوع AIS (هوا ایزوله کننده بین کنتاکت‌ها) می‌باشد و اتصال آن به شبکه سراسری توسط دو خط و از طریق پست بوشهر صورت می‌پذیرد.

اگر راکتور را قلب یک نیروگاه اتمی بدانیم، بدون شک سیستم کنترل و ابزار دقیق، مغز و شبکه عصبی این تأسیسات مهم و گسترده می‌باشد. سیستم کنترل و ابزار دقیق نیروگاه اتمی بوشهر یکی از پیشرفته‌ترین سیستم‌های اتوماسیون موجود در جهان و به صورت یک سیستم کنترل توزیع شده (DCS) بوده که از نظر لایه های کنترلی به سه سیستم سطح بالا (TLSU)، میانی (TPTS) و پایین (سنسورها و عملگرها) تقسیم می شود.

(Top Level System of the power Unit) TLSU از یک شبکه کامپیوتری با سرعت MBit/s100 تشکیل شده است که بالاترین لایه کنترلی نیروگاه به حساب می‌آید، اطلاعات را از سطح میانی دریافت کرده، آنها را بر روی ایستگاه‌های کاری نشان داده و امکان کنترل مرکزی را ایجاد می‌کند. تابلوهای TPTS از چندین (Software Hardware Complex) SHC تشکیل شده که وظیفه نظارت و کنترل سیستم‌ها و تجهیزات فنی را بر اساس دستورالعمل‌های جاری بهره‌برداری نیروگاه اتمی بوشهر عهده‌دار است. TPTS از طریق Gateway به TLSU متصل شده و تبادل داده می‌نماید.

نیروگاه اتمی بوشهر و محیط زیست

امروزه از انرژی هسته‌ای به عنوان یکی از رهیافت‌های زیست محیطی باری مقابله با افزایش دمای کره زمین و کاهش آلودگی محیط زیست یاد می‌شود. در حال حاضر نیروگاه‌های هسته‌ای جهان با ظرفیت نصب شده فعلی توانسته‌اند سالانه از انتشار 8 درصد از گازهای گلخانه‌ای در فضا جلوگیری کنند.

ساخت و بهره‌برداری از تأسیسات هسته‌ای در هر کشور عضو آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، مشمول ضوابط و مقررات ویژه ایمنی هسته‌ای و نظارت مستمر قانونی بر کلیه فعالیت‌ها در مراحل انتخاب محل، طراحی، ساخت قطعات و تجهیزات، احداث، راه‌اندازی، بهره‌برداری و از کاراندازی تأسیسات فوق الذکر است.

در نیروگاه های اتمی تماماً خروجی‌ها (گازها و مایعات) به محیط اطراف از نقطه نظر اکتیویته و شیمیایی کنترل می‌شود و ملزم به رعایت نُرم‌ها و استانداردهای لازم می‌باشند، به طوری که در مسیر خروجی آب و گاز به محیط اطراف فیلترهای مختلفی وجود دارد که در آنها اکتیویته به صورت خودکار و پیوسته و همچنین به صورت دستی و دوره‌ای کنترل می‌شوند و تا اکتیویته آنها به حد مجاز قابل خروج نرسد، در محیط رهاسازی نمی‌شوند.

نُرم مجاز برای آب‌های خروجی 11-10 کوری بر لیتر و برای گازهای بی‌اثر خروجی از هواکش نیروگاه 50 کوری در شبانه روز می‌باشد. دُزِ مجاز دریافتی سالانه پرسنل گروه A (پرسنل راکتور) 20 میلی سیورت می‌باشد. در حالی که دز دریافتی سالانه مردم از منابع پرتوزای طبیعی، اشعه کیهانی، استفاده‌های پزشکی و انفجارات اتمی حدود 3/2 میلی سیورت می‌باشد. مقدار دز مجاز دریافتی ساکنین اطراف نیروگاه‌های هسته ای حداکثر برابر با 5/1 میلی سیورت می‌باشد که در مقایسه با دز دریافتی از دیگر منابع پرتوزا بسیار اندک است.

در حال حاضر در سراسر دنیا ایمنی نیروگاه‌های هسته‌ای بر پایه «دفاع در عمق» بنا نهاده می‌شود. چنین دیدگاهی طراحان را بر آن وا می‌دارد تا سلسله‌ای از حایل‌های فیزیکی را به صورت پشت سر هم در مسیر انتشار مواد رادیو اکتیو به محیط مدنظر قرار دهند. وجود چند لایه حایل فیزیکی از آثار سوء مواد رادیو اکتیو به پرسنل بهره بردار، محیط پیرامون نیروگاه و مردمی که در اطراف نیروگاه زندگی می‌کنند، جلوگیری می‌نماید. این حایل‌ها به ترتیب عبارتند از شبکه سرامیکی قرص‌های سوخت، غلاف میله‌های سوخت، تجهیزات مدار اول، کره فولادی و در نهایت کره بتونی. لازم به ذکر است که بیش از 98% محصولات شکافت (مواد رادیواکتیو) در داخل شبکه سرامیکی قرص‌های سوخت محبوس می‌گردند.

واحد اول نیروگاه هسته ای بوشهر از راکتور آب تحت فشار نوع VVER – 1000 مدل V-446 تشکیل یافته که از نظر ساختاری و اساس کار، کاملاً با نیروگاه هسته‌ای چرنوبیل متفاوت بوده و متناظر با نیروگاه‌های هسته‌ای غربی با راکتور PWR می‌باشد که دارای ایمنی ذاتی هستند، بدین معنی که با افزایش قدرت نوترونی راکتور، دمای آب در آن افزایش یافته که این نیز به نوبه خود باعث کاهش قدرت نوترونی و مهار واکنش زنجیره‌ای شکافت پایا در قلب راکتور می‌گردد.

در صورت به خطر افتادن نیروگاه و پایین آمدن شاخص‌های ایمنی آن، طبق دستورالعمل‌های بهره برداری نیروگاه، قدرت راکتور تا سطح لازم کاهش داده شده یا اساساً خاموش می‌شود تا ایمنی راکتور به سطح مورد نظر رسانده شود. در صورت بروز احتمالی حادثه، سیستم‌های چهارکاناله ایمنی، وظیفه خاموش کردن راتور و برداشت انرژی حرارتی پسماند قلب راکتور را به عهده دارند. وجود یک کانال و عملکرد درست آن در هنگام بروز حادثه کاملاً کفایت می‌کند و وجود سه کانال دیگر جهت بالا بردن ضریب اطمینان عمل سیستم در نظر گرفته شده است، این کانال‌ها کاملاً از همدیگر جدا بوده و مستقل عمل می‌کنند.

وظیفه سیستم‌های ایمنی در هنگام بروز احتمالی حادثه:

1- متوقف کردن واکنش زنجیره‌ای شکافت هسته‌ای پایا

2- خنک کردن راکتور

3- محدود کردن آثار حادثه می‌باشد

این سیستم‌ها مجهز به دیزل ژنراتورهای خاص خود بوده که در صورت قطعی کامل برق در نیروگاه، می‌توانند به کار خود ادامه دهند.

ساختمان راکتور در مقابل برخورد مستقیم هواپیمای غول پیکر بوینگ 747، هواپیماهای جنگی و زلزله‌ای به شدت 8 ریشتر مقاوم بوده و در صورت بروز چنین سوانحی هیچ صدمه‌ای به تأسیسات راکتور و قلب آن وارد نمی‌شود و سیستم کنترل و حفاظت خودکار نیروگاه به راحتی آن را خاموش و به وضعیت ایمن می‌رساند.

نمودار ایمنی دارای بخش‌های زیر است:

1- راکتور
2- مولد بخار
3- پمپ اصلی مدار اول
4- حفاظ بیولوژیکی
5- محوطه تردد
6- کره فولادی
7- پوشش بتنی
8- هواکش
9- سیستم خنک کننده اضطراری قلب
10- پمپ تزریق اضطراری
11- مخزن ذخیره محلول اسید بوریک
12- تأسیسات تهویه
13- تأسیسات فیلتراسیون
14- سیستم دفع گرمای پسماند
15- سیستم کنترل خلاء
16- محفظه آب آلوده کره فولاد

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