نویسنده: مدیر سایت

یکی از اهداف فیزیک شناسایی نیروهای اساسی در جهان اسهمان طور كه گفته شد هسته از نوكلئون‌ها تشكیل شده است. نوكلئون‌هایی كه كنار هم قرار گرفته اند.
اما چه چیزی باعث پایداری هسته شده است؟
چه نیرویی بین نوكلئون‌ها وجود دارد؟
ما تا این جا می‌دانیم كه در هسته پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار) وجود دارد. همچنین از قبل دو نیروی بنیادی را می‌شناسیم كه عبارتند از: نیروی گرانشی و نیروی الكترومغناطیسی.
حال باید دید در هسته فقط این دو نیرو حضور دارند یا پای نیروی سومی نیز به میان می‌آید؟
درون هسته و بین نوكلئون‌ها نیروی گرانشی یك نیروی ربایشی است و نیروی الكتریكی یك نیروی دافعه است كه فقط ما بین پروتون‌ها می‌تواند وجود داشته باشد.
آیا این دو نیرو می‌توانند طوری حضور داشته باشند كه باعث پایداری هسته شوند، به عبارتی اثر همدیگر را خنثی كنند؟
پاسخ این سئوال منفی است زیرا:
نوترون‌ها خنثی هستند پس ما بین خودشان و مابین نوترون‌ها و پروتون‌ها نیروی جاذبه گرانشی وجود دارد. ولی از نیروی الكتریكی خبری نیست. پس نیرویی وجود ندارد كه نیروی جاذبه گرانشی بین نوترون و نوكلئون را خنثی كند.
از طرفی اجازه بدهید مقدار نیروی الكتریكی(F_e) و گرانشی (F_G) ما بین پروتون‌ها را با هم مقایسه كنیم.

یعنی نیروی الكتریكی بین دو پروتون در یك هسته 10³⁶ برابر نیروی گرانشی بین آن ها است و چون نیروی الكتریكی یك نیروی دافعه است می‌توان نتیجه گرفت كه نوكلئون‌های هسته تحت دافعه شدید قرار دارند. بنابراین باید نیروی سومی وجود داشته باشد تا هسته پایدار بماند و آن نیروی هسته‌ای است.
نیروی هسته‌ای نیرویی است كه ما بین نوكلئون‌ها وجود دارد. در زیر اندازه این نیروها با هم مقایسه شده اند.
بله نیروی هسته‌ای از نیروهای دیگر قوی تر است. تفاوت مهم نیروی هسته‌ای با سایر نیروها در این است كه برد نیروی هسته‌ای كوتاه است، در حالی كه برد نیروی گرانشی و الكتریكی زیاد می‌باشد، یعنی در فاصله‌های دور نیز تأثیر گذار هستند.
برد كوتاه نیروی هسته‌ای باعث می‌شود كه نوكلئون هایی كه فاصله شان از هم دور است تحت تأثیر نیروی هسته‌ای همدیگر قرار بگیرند و این موضوع منجر به آن می‌شود كه هسته‌های بزرگ ناپایدار باشند و با واپاشی به مرور زمان به هسته‌های كوچك تر و سبك تر (یعنی پایدارتر) تبدیل شوند.
بنابراین در جدول تناوبی هر چه به انتهای جدول نزدیك می‌شویم به عناصر ناپایدار نزدیك می‌شویم و با توجه به بحث نیم عمر، بعضی از ایزوتوپ‌های عناصر انتهای جدول در طبیعت یافت نمی شوند. تمام عناصری كه عدد اتمی آن ها بیشتر از 83 هستند ناپایدارند ولی بعضی از آن ها به خاطر نیم عمر بالایی كه دارند همچنان در طبیعت یافت می‌شوند مثل ²³⁵₉₂U.
به همین خاطر عناصر جدول به دو دسته طبیعی و غیرطبیعی تقسیم بندی می‌شوند تمام عناصری که

0≤N≤146

1≤Z≤92

جزو عناصری هستند كه در طبیعت وجود دارند.

به نظر شما چرا وقتی هر چیزی را در اطراف زمین پرتاب یا رها می‌كنیم پس از مدتی روی زمین سقوط می‌كند؟
یا چرا آب مسیر خود را از بالاترین ارتفاعات قله دماوند تا پایین ترین نقاط (در عمق دره‌ها) پیدا می‌كند.
به نظر شما علت این كه بالا آمدن آب دریا (پدیده مد) را به ماه نسبت می‌دهند چیست؟

این سؤالی بود كه آقای نیوتن نیز (همچون شما) هنگامی كه آن سیب روی سرش سقوط كرد از خود پرسید.

حقیقت آن است كه جنس همه این نیروها یكسان است. یعنی همان نیرویی كه سیب را به سمت زمین می‌كشد یا آب را از بالاترین ارتفاعات به پست ترین نقاط زمین می‌كشد، همان نیرو باعث پدیده مد نیز می‌شود.
توجّه به فاصله نیز در این جا خیلی مهم است، ماه به اندازه‌ی سیب سقوط نمی كند، زیرا گرانش زمین در فاصله‌های دور از آن خیلی ضعیف است.
برای نخستین بار این واقعیت‌ها را آقای اسحاق نیوتن در قانونی تحت عنوان قانون گرانش عام به این ترتیب بیان كرد: «هر دو جسم به واسطه جرمشان همواره یكدیگر را می‌ربایند. به این ربایش، نیروی گرانش گفته می‌شود.»
در شكل زیر این نیرو برای 2 ذره! به جرم‌های m1 و m2 نشان داده شده است.

دو نیرویی كه در این شكل دیده می‌شوند، عمل و عكس العمل هستند و مطابق قانون سوّم نیوتن بزرگی یكسانی دارند، بزرگی این نیرو از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:
یعنی نیروی گرانش با حاصل ضرب جرم‌ها نسبت مستقیم و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد. G در این رابطه یك ضریب ثابت است كه به آن ثابت جهانی گرانش گفته می‌شود.

مقدار آن در SI برابر :

توجّه كنید كه كلمه‌ی عام در این جا به مفهوم آن است كه این نیرو بین هر دو جرمی وجود دارد.

خلاصه رابطه برای یك شئ و یك سیاره در نمودار زیر آمده است:

ماهیت نیروی مغناطیسی
وقتی باری در میدان الكتریكی قرار می‌گیرد، نیروی الكتریكی به آن وارد می‌شود. حال ممكن است این سوال مطرح شود كه آیا میدان مغناطیسی هم می‌تواند به بار نیرو وارد كند؟
از مطالب فوق می‌توان نتیجه گرفت كه میدان مغناطیسی می‌تواند به بار نیرو وارد كند مشروط بر اینكه:

1. بار حركت كند. هیچ نیرویی از طرف میدان مغناطیسی به بار ساكن وارد نمی‌شود.
2. سرعت بار بایستی مولفه‌ای عمود بر جهت میدان مغناطیسی داشته باشد.

رای اینكه شرط دوّم را بررسی كنیم به اشكال زیر توجّه كنید. در این اشكال بار q0 + با سرعت v در میدان مغناطیسی حركت می‌كند. در این اشكال بردار میدان مغناطیسی با نماد B نشان داده شده است. میدان مغناطیسی توسط آرایشی خاص از آهن‌رباها (كه در شكل نشان داده نشده‌اند) به‌وجود آمده و فرض می‌كنیم میدان هم از لحاظ جهت و هم مقدار ثابت باشد.

اگر بار همانند شكل روبه‌رو موازی و یا در خلاف جهت میدان حركت كند، به بار هیچ نیروی مغناطیسی اعمال نمی‌شود.

در مقابل اگر بار عمود بر میدان حركت كند (همانند شكل روبه‌رو)، به بار حداكثر نیروی مغناطیسی F_max وارد می‌شود.

به طور كلی، اگر بار تحت زاویهθ نیروی مغناطیسی وارد بر بار الكتریكی1 نسبت به خطوط میدان حركت كند (همانند شكل روبه‌رو) تنها مولفه Vsinθنیروی مغناطیسی وارد بر بار الكتریكی1سرعت كه عمود بر میدان است باعث به‌وجود آمدن نیروی مغناطیسی می‌شود. در این حالت مقدار نیرو كوچكتر از نیرویِ بیشینه ممكن است.
توجّه داشته باشید كه مولفه سرعت كه موازی میدان مغناطیسی است نیرویی را حاصل نمی‌كند.
شكل‌های فوق بر این موضوع تأكید می‌كنند كه نیروی مغناطیسی F بر سرعت v و میدان مغناطیسی B عمود است. به‌عبارت دیگرF عمود بر صفحه B وv است.

جریان الکتریکی به جاری شدن بار الکتریکی گفته می‌شود. در یک مدار الکتریکی این بار غالباً توسط الکترون‌هایی که در سال 1785، فیزیكدانی فرانسوی به نام كولن به بررسی تأثیر مقدار بارها و فاصله آن ها بر نیروی الكتریكی ایجاد شده پرداخت. كولن برای اندازه‌گیری نیروی الكتریكی از ترازوی پیچشی استفاده می كرد. تصویر این وسیله در شكل زیر دیده می شود.

جریان الکتریکی سبب گرمایش مقاومتی می‌شود؛ که مثلاً به صورت نور در لامپ‌های رشته‌ای پدیدار می‌شود. كولن بر اساس آزمایش های متعدد دریافت كه اگر فاصله بین بارها دو برابر شود، نیروی بین آن ها یك چهارم و اگر فاصله بین بارها سه برابر شود نیروی بین آن ها یك نهم خواهد شد. چنین رفتاری را رابطه عكس مربع می‌گویند زیرا با زیاد شدن فاصله، نیرو كم شده و میزان كاهش با مربع فاصله رابطه دارد..
كولن همچنین مشاهده كرد كه اگر بار روی یكی از دو جسم را نصف كند، نیرو نصف ‌شده و اگر بار هر دو جسم نصف شود، نیرو یك چهارم می‌گردد. این بدان معنی است كه مقدار نیرو با حاصل ضرب دو بار رابطه دارد. این دو موضوع در یك قانون به نام قانون كولن تركیب می‌شود:

ر این رابطه، Q مقدار بار روی دو جسم و r فاصله بین مراكز بارها می‌باشد. K مقدار ثابتی است كه بستگی به جنس محیط و واحدهای انتخاب شده برای نیرو، بار و فاصله دارد.
آزمایش نشان می دهد كه راستای نیروی الكتریكی منطبق بر خط واصل بین دو بار است. اگر علامت بارها مخالف باشد، نیرو جاذبه و اگر علامت بارها یكی باشد نیرو دافعه خواهد بود.

در هر دو حالت فوق، مقدار نیروی وارد بر دو جسم برابر و جهت آن عكس یكدیگر است، بنابر این نیروهای الكتریكی از قانون سوم نیوتن تبعیت می كنند.
تاكنون بار واحد الكتریكی را تعریف نكرده ایم، مقدار این واحد به روشی مستقل و با توجّه به نیروی بین سیم‌های حامل جریان تعیین می‌شود، این واحد كولن نامیده می شود. با مشخص شدن واحد بار، مقدار K به وسیله آزمایش به دست می‌آید:
یك كولن بار بسیار بزرگی است، به عنوان مثال دو كره با بار یك كولن و در فاصله 1 متر از یكدیگر، نیرویی برابر با:

بر یكدیگر وارد می‌كنند. این نیرو معادل وزن یك جرم یك میلیون تنی است. برای درك بهتر اندازه واحد كولن به موارد زیر توجّه كنید.
مقدار باری كه در ابرها باعث رعد و برق شدید می‌شود حدود 25 كولن است. بارهایی كه در آزمایشگاه و اطرافمان مشاهده می‌كنیم حدود چند میكروكولن می‌باشند، به عنوان مثال وقتی روی موكت راه می روید، مقدار بار انتقال یافته به بدن شما یك میلیونیوم كولن است.
در زمان كولن وسیله ای برای اندازه‌گیری مقدار بار وجود نداشت ولی او به وسیله كره‌های فلزی یكسان، بارهایی با نسبت مشخص تولید می كرد. برای مثال اگر كره فلزی بارداری به كره فلزی بدون‌ باری با همان ابعاد تماس پیدا كند، بار كره اول بین دو كره به طور مساوی تقسیم ‌شده و بدین ترتیب بار 2/1 حاصل می‌شود. كولن با انجام متوالی این كار، مجموعه ای از كره ها با نسبت بارهای مشخص ایجاد كرده بود و با آن ها آزمایش می كرد.

ثابت K در رابطه كولن معمولاً به شكل دیگری و بر اساس ε₀ قانون كولن (ضریب گذردهی خلاء) بیان می‌شود. بدین ترتیب كه  قانون كولن است.

 
قانون كولن بدین صورت قابل بیان است:

ندازه ε₀ قانون كولن برابر است با :

اگر چه این رابطه كمی پیچیده به نظر می‌رسد ولی روابط دیگر فیزیكی به كمك رابطه فوق، شكل ساده‌ تری خواهند داشت.

قانون كولن برای مواردی صادق است كه ابعاد بار در مقایسه با فاصله بین بارها بسیار كوچك باشد (بارهای نقطه ای)، البته اگر بار به شكل یكنواخت روی كره پخش شده باشد، به این شرط احتیاجی نیست و می توان از رابطه استفاده كرد مشروط بر این كه r را فاصله بین مراكز كره‌ها در نظر بگیریم. (قانون كولن ) وقتی اندازه بار را در رابطه كولن قرار می‌دهید به یاد داشته باشید كه میكروكولن را به كولن تبدیل كنید
μC=10-6 C
در محاسبه نیرو با استفاده از قانون كولن معمولا از علامت بار صرفه نظر شده و آن را فقط برای تشخیص جهت نیرو لازم داریم.

مطابق شکل زیر سلونوئیدی با N حلقه را در نظر بگیرید که جریان I را در خود و در جهت پادساعتگرد دارد. اگر جریان بصورت پایا باشد، میدان مغناطیسی عبوری از حلقه ثابت خواهد ماند. در حالتی دیگر فرض کنید که جریان I با زمان تغییر کند. در این شرایط،‌ مطابق با قانون القای فارادی،‌ نیروی محرکه القایی، در خلاف جهت تغییرات جریان الکتریکی است. در حقیقت با فرض این‌که dI/dt > 0 باشد، جریان الکتریکی القایی، ساعتگرد و در حالت dI/dt < 0،‌ جریان القاییِ پادساعتگرد در حلقه بوجود خواهد آمد.

به این خاصیت از حلقه جریان که در آن میدان مغناطیسی القایی، در خلاف جهت تغییرات جریان الکتریکی است، خودالقایی گفته می‌شود. هم‌چنین نیروی محرکه ناشی از تغییر مذکور،‌ نیروی محرکه خود القایی نامیده می‌شود و آن را با ϵ _L نشان می‌دهند. تمامی حلقه‌های حامل جریان این خاصیت را دارند. به‌طور ویژه، سلونوئید، جزئی از مدار الکتریکی است که دارای ضریب خودالقایی بزرگی است.

نیروی محرکه بالا را می‌توان با استفاده از مفهوم ضریب ثابت خودالقایی، به شکل زیر بدست آورد:

با ترکیب دو رابطه بالا داریم:

از منظر فیزیکی، ضریب القایی L، میزان مقاومت القاگر در مقابل تغییرات جریان الکتریکی القاگر را نشان می‌دهد. L بزرگ‌تر نشان‌ دهنده تغییرات زمانی کوچک‌تر جریان الکتریکی است.

مطابق با شکل زیر دو سلونوئید را در نظر بگیرید که کنار هم قرار گرفته‌اند.

تعداد حلقه‌ها و جریان سلو‌نوئید اول به‌ترتیب برابر با N1 و I1 است که منجر به تولید میدان مغناطیسی می‌شود. زمانی که دو سلونوئید به یکدیگر نزدیک شوند، تعدادی از خطوط میدان مغناطیسیِ سلونوئید اول از سلونوئید دوم نیز عبور خواهند کرد. فرض کنید Φ۲۱، نشان دهنده شار مغناطیسی عبوری از یک حلقه‌ی سلونوئید دوم، ناشی از جریان I1 باشد. حال با تغییر جریان I1 با زمان، نیروی محرکه القایی بوجود خواهد آمد که ناشی از تغییر شار مغناطیسی عبوری از سلونوئید دوم است. این نیروی محرکه برابر است با:

در حقیقت تغییر شار مغناطیسی Φ۲۱ در سلونوئید شماره ۲، متناسب با تغییر زمانی جریان در سلونوئید شماره ۱ است. از این رو می‌توان گفت:.

در رابطه بالا M21 ضریب القای متقابل است و می‌توان آن را در قالب رابطه زیر نشان داد:

واحد SI خودالقایی، هانری (H) است. در حقیقت:

همان‌گونه که در رابطه بالا نیز دیده می‌شود، ضریب خودالقایی M21 به شکل هندسی دو سلونوئید و تعداد حلقه‌های آن‌ها وابسته است. به طریقی مشابه فرض کنید جریان I2 در سلونوئید دوم برقرار است و با زمان تغییر می‌کند. در نتیجه نیرو محرکه در سلونوئید شماره ۱ برابر می‌شود با:

مطابق با شکل زیر نیروی محرکه بدست آمده در بالا منجر به ایجاد جریان در سولنوئید شماره ۱ نیز می‌شود.

تغییر شار مغناطیسی عبوری از سلونوئید شماره ۱ متناسب با تغییرات زمانی جریانِ سلونوئید شماره ۲ است. بنابراین داریم:

در رابطه بالا M۱۲ نیز ضریب القای متقابل است که می‌توان آن را به‌شکل زیر بدست آورد.

با استفاده از قانون متقابل، که در نتیجه ترکیب قوانین آمپر و بیو-ساوار است، رابطه بین ضرایب خودالقایی برابر است با:

رابطه بالا نشان می‌دهد که ضریب القای متقابل در هر دو سناریو برابر هستند.

مواد دیامغناطیس، «موادی هستند که در اثر اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی در آن‌ها یک میدان مغناطیسی القایی در جهت مخالف ایجاد می‌شود و توسط میدان دفع می‌شوند». مواد پارامغناطیس برعکس این رفتار را از خود نشان می‌دهند. دیامغناطیس شدن یک خاصیت مکانیک کوانتومی است که در تمام مواد رخ می‌دهد و وقتی فقط از جنبه مغناطیس به موضوع بنگریم این مواد «دیامگنت» نامیده می‌شوند و برخلاف مواد فرومگنت مغناطیس دائمی نیستند.
نفوذپذیری مغناطیسی آن‌ها کمتر ازµ0 می‌باشد (نفوذپذیری خلأ)؛ در نتیجه دیامغناطیس‌ها شکلی از مغناطیس هستند که تنها با یک ماده در حضور یک میدان مغناطیس خارجی به کار گرفته شده ایجاد می‌شوند. در بیشتر مواد، دیامغناطیس کاملاً یک اثر ضعیف دارد، ولی در ابر هادی‌ها (رسانایی بسیار بالا) اثر شدیدی را ایجاد می‌کند.
مواد دیا مغناطیس، خطوط سرعت جریان مغناطیسی را در منحنی ایجاد می‌کند که دور از مواد می‌باشد و ابر هادی‌ها می‌توانند آن‌ها را به‌طور کامل ممانعت کنند (به جز برای یک لایه نازک در سطح).

«مواد فرو مغناطیس دسته‌ای از مواد مغناطیسی هستند که دارای دو قطبی‌های مغناطیسی همسو شده می‌باشند. این مواد در مجاورت میدان مغناطیسی خارجی تبدیل به آهنربا می‌شوند.»

دید کلی
در برخی از مواد مغناطیسی دو قطبی‌های مغناطیسی کوچک بطور خودبه‌خود با دو قطبی‌های مجاور هم‌خط می‌شوند، اینگونه مواد، پارا مغناطیس نامیده می‌شوند. همه بخشهای مغناطیسی در یک ماده فرو مغناطیس در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از بخشهای بسیار کوچکی با ابعاد کوچکتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، طوریکه دو قطبی‌های مغناطیس هر بخش هم‌خط هستند، ولی سمت‌گیری دو قطبی‌های مغناطیسی هر بخش با بخش مجاور متفاوت است. این بخشهای کوچک حوزه مغناطیسی نامیده می‌شوند.

روش آهنربا کردن مواد فرو مغناطیس
هنگامی که مواد فرو مغناطیس را در یک میدان مغناطیسی قرار می‌دهیم، آهنربا می‌شوند. چون میدان مغناطیسی بر حوزه‌های مغناطیسی اثر می‌گذارد و سبب می‌شود که دو قطبی مغناطیسی هر حوزه تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار گیرد. علاوه بر این حوزه‌هایی که نسبت به میدان در وضعیت مناسبی قرار دارند، با وجود میدان رشد می‌کنند و حجم آنها افزایش پیدا می‌کند و در نتیجه حوزه‌هایی که سمت‌گیری مناسب نداشتند، حجمشان کوچکتر می‌شود و مرز بین حوزه‌ها جابجا می‌شود و ماده خاصیت آهنربایی پیدا می‌کند.

انواع مواد فرو مغناطیس

1. مواد فرو مغناطیس نرم

در موادی مثل «آهن، کبالت و نیکل» در صورتی که خالص باشند، حجم حوزه‌ها به آسانی تغییر می‌کند، در نتیجه به آسانی آهنربا می‌شوند، ولی به آسانی هم خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند. این مواد را «فرو مغناطیس» نرم می‌نامند. اینگونه مواد در هسته سیملوله‌ها بکار می‌روند و چون به راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند، در ساخت آهنرباهای غیر دائم کاربرد دارند.

2. مواد فرو مغناطیس سخت

موادی مثل فولاد، به سختی آهنربا می‌شوند و به سختی هم این خاصیت را از دست می‌دهند، یعنی حجم حوزه‌ها به سختی تغییر می‌کند. اینگونه مواد، فرو مغناطیس سخت نامیده می‌شوند. در اینگونه مواد برای افزایش حجم حوزه‌هایی که سمت‌گیری مناسب دارند، به میدان مغناطیسی خارجی قویتر نیاز است. پس از برداشتن میدان مغناطیسی خارجی ماده «فرو مغناطیس سخت»، خاصیت آهنربایی خود را حفظ می‌کند. به همین دلیل برای ساختن آهنرباهای دائمی مناسب هستند.