التصنيف: مقالات

تقسم المواد من حيث قدرتها على توصيل الكهرباء إلى عوازل Insulators مثل الخشب، وأنصاف الموصلات Semiconductors  مثل السيليكون، وموصلات Conductors  مثل النحاس، ولكن هناك نوعاً اخراً وهو ما يعرف باسم الموصلات فائقة التوصيل Superconductors، والموصلات فائقة التوصيل سميت هكذا نظرا لأنها عند درجة حرارة معينة (منخفضة نسبيا) تصبح مقاومتها للكهرباء مساوية للصفر، وتصبح قدرتها علىالتوصيل فائقة جداً، حيث أنه إذا ما وجد تيار كهربي في حلقة متصلة من هذه المادة فإنه سوف يسرى داخل الحلقة بدون وجود مصدر للجهد الكهربي.

الناقلية الفائقة superconductivity: هي حالة تحصل لبعض المواد عند تبريدها إلى درجة حرارة أخفض من درجة حرارة حرجة يرمز لها بالرمز Tc، تنعدم عندها المقاومة الكهربائية كلياَ

اكتشفت هذه الظاهرة مصادفة في عام 1911، ويعود الفضل في ذلك إلى العالم الهولندي كامرلنغ أونس Kamerlingh Onnes.

فقد كان هذا العالم يحاول دراسة المقاومة النوعية للمعادن في درجات الحرارة المنخفضة لمعرفة إذا كانت ستتابع انخفاضها الخطي مع انخفاض درجة الحرارة أم ستثبت عند قيمة محددة. وقد اختار معدن الزئبق للتجربة لكونه سائلاً عند درجة حرارة الغرفة ولأنه يمكن الحصول عليه بنقاوة عالية. فبعد أن نجح في تمييع الهليوم عام 1908 تمكن من الحصول على درجة حرارة من رتبة كلفن واحد علماً أنّ 273º K= 0ºC، ولاحظ أن المقاومة النوعية للزئبق تنخفض بجوار 4ºK بصورة مفاجئة وسريعة إلى قيمة لا يمكن قياسها. وبعد الدراسة وجد أن حالة انعدام المقاومة هذه ـ والتي سماها «الناقلية الفائقة» ـ يمكن إزالتها إما بتطبيق حقل مغنطيسي تتجاوز شدته شدة معينة تدعى الحقل الحرج (Hc) وإما بتمرير تيار كهربائي تتجاوز كثافته قيمة معينة تدعى كثافة التيار الحرج (Jc). (أنظر الشكل 1).

في عام 1933 اكتشف العالمان مايسنر Meissner وأشسنفيلد Ochsenfeld أن كلاً من الرصاص والقصدير يَطردان الحقل المغنطيسي كلياً إلى الخارج عند عبورهما إلى حالة الناقلية الفائقة.

والمثير في هذا الاكتشاف أن طرد الحقل يحصل سواء تمّ تبريد العيّنة بوجود حقل مغنطيسي أم من دونه، أي إن الوصول إلى هذه الحالة لا يتعلق بالطريق المسلوك، مما يعني أن حالة الناقلية الفائقة هي حالة ترموديناميكية. تدعى ظاهرة طرد الحقل

هذه بالمغنطيسية المعاكسة التامة perfect diamagnetism وتسمى أحياناً (في حالة الناقلية الفائقة) بحالة مايسنر.

تؤدي حالة مايسنر إلى وجود قوة تدافع بين مغنطيس دائم وجسم ذي ناقلية فائقة مبرد إلى درجة حرارة أخفض من درجة حرارته الحرجة.

شهد القرن العشرين أبحاثاً كثيرة في مجال الناقلية الفائقة أدت إلى اكتشاف عائلة جديدة من المواد السيراميكية ذات حالة ناقلية فائقة عند درجة حرارة حرجة أعلى من درجة حرارة الآزوت السائل البالغة 77 K.

أول مركب تم اكتشافه من هذه العائلة هو YBa₂Cu₃O_7-x وهو يعبر إلى حالة الناقلية الفائقة عند درجة حرارة من رتبة º90K. لمعرفة أهمية هذا الاكتشاف يجب تذكّر أن كلفة الحصول على الآزوت السائل أرخص بكثير من كلفة الحصول على الهليوم السائل؛ لكون الآزوت الغازي متوافراً في الهواء. ويبين (الشكل 4) أهم المركبات المكتشفة حتى اليوم مع درجة حرارتها الحرجة وتاريخ اكتشافها.

ظاهرة الطفو : Floating phenomena

من المعلوم أن  الموصل الفائق هو موصل تام التوصيل وتنعدم مقاومته الكهربية عند درجة الحرارة الحرجة. ولذا فإننا إذا أدخلنا تياراً كهربياً  في حلقة  من سلك فائق التوصيل فإن هذا التيار  سوف يستمر في السريان إلى ما شاء الله طالما أن السلك  يظل محتفظاً بموصلتيه الفائقة. في احدي التجارب استمر سريان التيار بدون انقطاع في حلقة من سلك فائق التوصيل لمدة عامين ونصف دون أي نقص في شدته ودون تغذية الحلقة بأي مصدر كهربي خارجي. ولقد تم تسمية التيارات التي لا تجد أية مقاومة لسريانه في موصل فائق بالتيارات الدائمة والتي تحدث عند مجالات مغناطيسية متغيرة مما ينشأ ظاهرة الطفو المثيرة الموضحة بالشكل (3). عند وضع مغناطيس صغير فوق موصل فائق فإن المجال المغناطيسي علي سطح الموصل الفائق يسبب تيارات دائمة تُنشئ قوي تنافر مع المغناطيس بحيث  تقوي وتشتد كثيراً باقتراب المغناطيس من الموصل الفائق حتى يتم رفع المغناطيس في الهواء فيظهر وكأنه عائم في الهواء.

أزواج كوبر :  Cooper Pair

في 1957حدث تقدم ملحوظ في علم الموصلية الفائقة بواسطة الفيزيائيين الأمريكان [6]  Bardeen, Cooper and Schrieffer Theory  (BCS).  هؤلاء العلماء الثلاثة أرسوا نظرية BCS للموصلية الفائقة  للمواد عند درجات الحرارة  القريبة من الصفر المطلق. لقد وجدت النظرية حلاً يفسر ميكانيكية التوصيل الكهربي في المواد الفائقة والتي تبنى على فكرة أزواج كوبر نسبة إلى العالم كوبر أحد مؤسسي النظرية.

لقد أشارت النظرية إلي أن هناك  قوي ترابط تنشأ بين الإلكترونات في المواد فائقة التوصيل بخلاف ما تمليه النظرية الكلاسيكية من وجود قوي التنافر لكولوم بين الإلكترونات سالبة الشحنة بحيث يحدث تجاذب بين الإلكترون ونظيره لتكوين ما يسمي بأزواج  كوبر. هذه العملية تحدث نتيجة تفاعل الإلكترون مع الشبيكة البلورية والتي تعمل علي جعل أحد الإلكترونات كما لو كان محاط بحاجز من الشحنات الموجبة بحيث تكون أكبر بكثير من الشحنات السالبة التي يمتلكها الإلكترون الثاني . وبذلك تطغي قوي التجاذب علي قوي التنافر مما يؤدي إلي تقارب  الإلكترونين من بعضهما مكونين أزواج كوبر.

المواد من حيث ناقليتها الفائقة تقسم إلى قسمين: ففي درجاتالحرارة المنخفضة (بضعة درجات فوق الصفر المطلق) تكون ناقلية بعض المعادن ، أيقابلية مرور التيار الكهربائي خلالها، عالياً جداً ودون وجود أي مقاومة كهربائية.  وتمتلك هذه المواد فائقة الموصلية خاصية إزالة المجال المغناطيسي كلياً أوجزئياً

ويطلق على الموصلات الفائقة التي تستطيع إزالة المجال المغناطيسي كلياًأسمالموصلات الفائقة من الطراز الأول، وقد استحقت النظرية التي وصفت هذا الطراز من الموصلات الفائقة جائزة نوبل للفيزياء.

وقد تبين أن هذه النظرية المستندة على حقيقة وجود الزوج منالإلكترونات ليست قادرة عملياً على تفسير الموصلية الفائقة في معظم المواد المهمة.

ويسمح الطراز الثاني من الموصلات الفائقة بوجودالموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي في نفس الوقت.كذلك باستمرار الموصليةالفائقة حتى في المجالات المغناطيسية العالية. ونجح ألكسي ابريكوزوف في تفسير هذهالظاهرة نظرياً.

وقد أستفاد هذا العالم الروسي في تفسيره من النظرية التي وصفتالطراز الأول من الموصلات الفائقة ، والتي صاغها زميله الفيزيائي الروسي فيتاليكنسبرك وغيره.

لقد توسع ألكسي ابريكوزوف في تلك النظرية وجعلها تستوعب الطرازالثاني من الموصلات الفائقة. وبالرغم من أن هذه النظريات تعود الى زمن الخمسينات ،فأنها قد اكتسبت في الآونة الأخيرة أهمية متزايدة ، نظراً للتطور الهائل الذي طرأعلى علم المواد ولاسيما اكتشاف الخواص الجديدة. نتيجة لذلك، يمكن الآن جعل الموادموصلات فائقة حتى في درجات الحرارة العالية وتحت تأثير المجالات المغناطيسيةالمرتفعة.

من ناحية أخرى، وفيما يخص الشق الثاني من المواضيع التي استحقت جائزة نوبل لهذا العام ، ونقصد الميوعة (أو السيولة) الفائقة، السوائلفائقة التدفق عبارة عن مواد مائعة بلا لزوجة تستطيع التدفق بدون احتكاك تقريبا عنددرجة حرارة تقترب من الصفر المطلق مثل الهليوم السائل) يمكن للهيليوم السائل أنيصبح مائعاً فائقاً ، أي بتلاشي لزوجته كلياً في درجات الحرارة الواطئة. وتترابطذرات النظير النادر هيليوم ـ 3 على شكل أزواج ، مثلما تترابط الإلكترونات فيالموصلات الفائقة. وقد صاغ أنثوني ليكيت عام 1972 النظرية التي وصفت هذا السلوكالذري في حالة الموائع الفائقة. كما أوضحت الدراسات الحديثة لهذا العالم الفيزيائيكيفية اجتياز هذه الحالة من النظام حالتي الفوضى (الكيوسية) والاضطراب، اللتينتمثلان مشكلة مستعصية للفيزياء الكلاسيكية

أهم تطبيقات الموصليات الفائقة

إن اكتشاف مواد فائقة التوصيل للكهرباء عند درجات حرارة مرتفعة نسبيا سوف يجعلها تدخل فىتركيب كل جهاز ممكن تصوره.

أول هذه التطبيقات هوالحصول على وسيلة غير مكلفة لنقل التيار الكهربي، لأن التكاليف المادية لنقل التيارعبر أسلاك النحاس مرتفعة نظرا للفقد الكبير فى الطاقة على شكل حرارة متبددة نتيجةمقاومة السلك النحاسى،

كذلكإذا ما قارنا قيمةالتيار الذى يمكن نقله عبر السلك النحاسي حيث تبلغ شدته 100 أمبير لكل سنتيمتر مربع بينما فى السلك المصنوع من مركب الـYBa2Cu3O7 تبلغ 100000 أمبير لكل سنتيمتر مربع.

كذلكفإن هذهالمواد لها تطبيقات عديدة فى مجال الإلكترونيات لما تمتاز به من قدرة عالية فى فتحو إغلاق الدائرة الكهربية لتمرير التيار ومنعه، وهذا يشكل العنصر أساسي في بنيةالكمبيوتر والبحث جارى إلى الآن لإدخال هذه المواد في صناعة السوبركمبيوتر، وإذا ماتوصل إلى ذلك فإن هذا سوف يؤدى إلى تطور كبير في مجال الكمبيوتر.

أما في مجال الطبفقد تم صناعة أجهزة ذات حساسية عالية جداللمجالات المغناطيسية المنخفضة الشدة، وتستخدم الآن كبديل للمواد المشعة المستخدمةفى تشخيص الأمراض التي قد تصيب الدماغ، حيث يتم الكشف عن التغير فى المجال المغناطيسي المنبعث من الدماغ والتي تبلغ شدته 10^-13 تسلا، وهذا مقدار صغير جداً لكن تلك الأجهزة قادرة على قياسه، كذلك يمكن بدقة تحديد مصدر الإشارات العصبيةالصادرة من الدماغ

وأيضا يمكن أن تستخدمفى البحثعن المعادن الدفينة فى باطن الأرض وعن مصادر المياه والنفط لأنها تحدث تغيراًطفيفاً فى المجال المغناطيسى للأرض وهذا التغير يمكن التقاطه بواسطة هذهالأجهزة.

وهنالك أيضا تطبيقات على مجال أوسع، ففي اليابان تم تصميم قطار يعمل على قضبان مصنوعة من هذه المواد فائقة التوصيل، وعندماتبرد هذه القضبان إلى درجة الحرارة المطلوبة فإن القطار بكامله يرتفع عن سطح القضبان نتيجة التنافر المغناطيسي ويصبح وكأنه يسير على الهواء وهذا يمنع الاحتكاك مما يقلل من استهلاك الوقود.

آخر العلماء الذين درسوا هذه العلم، وحصدوا الكعكة:

منحت الأكاديمية السويدية الملكية للعلوم ثلاثةفيزيائيين يعملون حالياً في الولايات المتحدة جائزة نوبل للفيزياء لهذا العام (2003) ومقدارها 10 ملايين كرونة سويدية. وتشمل الأبحاث التي أهلت هؤلاء العلماءلنيل أكبر جائزة دولية في علوم الفيزياء ظاهرتين مهمتين من موضوع فيزياء الكم هماالناقلية الفائقة (أو الموصلية الفائقة) والميوعة الفائقة أو التدفقية الفائقة: والعلماء الثلاثة هم:

ألكسي ابريكوزوف وهو من مواليد الاتحاد السوفياتي عام 1928 وقد حصل على شهادة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة موسكو عام 1951، وهاجر إلى الولايات المتحدة، ويعمل حالياً في معهد أركون في ولاية ألنوي في الولايات المتحدة.

 

 

فيتالي كنسبرك وهو من مواليد الأتحاد السوفياتي عام  1916 و قد حصل علىشهادة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة موسكو، و يترأس حالياً فريقاً للبحوثالفيزيائية في موسكو.

 

 

أنثوني ليكيت وهو من مواليد المملكة المتحدة عام  1938 وقد حصل علىشهادة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة أكسفورد ويعمل حالياً أستاذاً للفيزياء فيجامعة ألنوي في الولايات المتحدة.

 

ما هي الموصلات فائقة التوصيل superconductor؟

الموصلات فائقة التوصيل

“عندما نزلت من الدرج كانت هناك مشكلة غير متوقعة لأنني لم أرى قدمي أثناء النزول، برغم هذا كنت أشعر بإثارة كأنني مبصر في مدينة عميان، أردت أن أضرب الناس على ظهورهم وأجعل قبعاتهم تطير…عموما كنت استمتع بهذا التفوق الاستثنائي”

كانت هذه كلمات “جريفين” تلك الشخصية التي صاغها أسطورة الخيال العلمي جورج ويلز H.G Wells في روايته العبقرية “الرجل الخفي” The Invisible Man التي الهبت خيال وعقل كل من قرأها والتي كتبها عام 1897.

فلطالما حلم الإنسان بأن يكون متخفيا وبذل من أجل هذه الغاية الكثير من المال والجهد ومنذ ذلك التاريخ حتى اليوم تبذل محاولات حثيثة من العلماء من سائر بلدان العالم المختلفة والتي سنسرد بعضا منها، لكن قبل ذلك أود منك أن تتأمل النظرية التي استخدمها ويلز في التخفي، ولتعلم أن الخيال دائما كان منطلقومهد الكثير من الحقائق والابتكارات التي ربما تحول مجرى حياتنا.

يقول ويلز على لسان “جريفين”: “الفكرة هنا معالجة المادةسواء كانت سائلة أو صلبة دون تغيير خواصها بحيث ينخفض معامل انكسارها ليساوي معامل انكسار الهواء…. يعتمد ظهور الأشياء على تعاملها مع الضوء…إما يعكسها أو يكسرها أو يمتصها، لو لم يفعل أي من هذا لن يكون ظاهرا”

ملحوظة: معامل انكسار الضوء (Refractive index) هو مقياس لسرعة الضوء في المادة ويعبر عن درجة انحناء أشعة الضوء عندما تمر من وسط إلى اخروبالطبع كلما كانت النسبة بين معاملي الانكسار للوسطين أكبر كلما كان الانحناء أكبر.

“لكن هناك خطأ ما” هكذا يعلق الكاتب الروسي المشهور ياكوف يبرلمان على هذه القصة فقد أشار في كتابه “الفيزياء المسلية” Physics Can Be Fun (1913)أنه من وجهة النظر العلمية فإن هذا الرجل “جريفين” سيكون أعمى!.. وذلك لأن العين الادمية تعمل بامتصاص الضوء القادم إليها وبذلك تتم الرؤية لكن في حالة “جريفين” فإن الضوء سوف يمر كلية ولن تمتصه العينوبالتالي لن يستطيع الرؤية.

توضيح بسيط لتفسير بيرلمان: تعمل العين عندما يسقط ضوء على الشيء وينعكس على العين تقوم العدسة بتركيزه على الشبكية وبذلك تتكون الصورة وتتم الرؤية.

ممكن!…

ومن تلك المحاولات والتي أجريت بهذا الصدد تلك المادة التي ابتكرها علماء من جامعة بروكلي بالولايات المتحدة الأمريكية، هذه المادة يمكنها أن تحول الضوء عن الأشياء ثلاثية الأبعاد مما “يخفيها عن الأنظار”، وفقا لما يسمى بالانعكاس المقلوب أو السالب، وهو نفس مبدأ الفيزياء البصرية الذي يعطي الانطباع بأن قشة وضعت في كوب من الماء تبدو كما لو كانت منكسرة لكن لسوء الحظ لا توجد هذه المادة في شكل عادي، فقد أنتجت على قياس متناهي الصغر يناهز جزءا من مليار جزء من المتر، وقد استخدمت مقاربتان إحداهما استخدمت كمية متناهية الصغر من الفضة وفلورايد المجنيزيوم، والأخرى استخدمت فيها حبال متناهية الصغر من الفضةولم تمتص هذه الأشياء الضوء كما لم تعكسه، “مثل ماء ينساب حول صخرة” حسب تعبير أحد أعضاء الفريق العلمي وكانت النتيجة أن الضوء الوحيد الذي يمكن رؤيته هو ضوء الخلفية.   ويقول العلماء إن المبادئ التي يستند عليها الاكتشاف قد تمكن في المستقبل من صنع عباءة “إخفاء”.!

المشكلة والحل….

لطالما كانت مشكلة الضوء العاديالمنظورهي في قصر موجاته والتي تحتاج لمواد ذراتها صغيرة جدا لكي تستطيع التلاعب بها، وإذا تم استخدام ذرات صغيرة سيكون هذا على الأسطح الصلبة الغير قابلة للانحناء والتي تفتقد المرونة اللازمة لاستخدامها في التطبيقات المختلفة.

لكن بعض العلماء من الاسكتلنديين استطاعوا أن يتغلبوا على هذه المشكلة وذلك باستخدام أغشية مرنة تثبت على الشيء المراد إخفاءه بحيث هذه الأغشية الذرات الموجودة بها تتحرر وبذلك تستطيع التلاعب بموجات الضوء العادي هذه المادة تسمى ” ميتافليكس ”  Metaflex ويمكن لهذه المادة أن تعمل مع موجات الضوء ذات الطول الموجي الصغير جدا حوالى 620 نانو متر ( النانومتر يساوي 10^-9) وهذا المدى يقع فيه الطول الموجي لموجات الضوء المنظوروبالتالي يتم التغلب على مشكلة قصر موجات الضوء المنظور.

ومن التطبيقات التي ممكن ان تنتجها الميتافليكس” عباءة إخفاء” مثل تلك التي توجد في الفيلم الشهير “هاري بوتر”.. سيتم ذلك-على حسب العلماء- عن طريق ترتيب مجموعة من تلك الأغشية بطريقة معينة بحيث تكون مع بعضها أقمشة ذكية (Smart fabric) وينتج عنها تلك العباءة السحرية!

أقمشة فوتوغرافية

ومن المحاولات التي تمت في هذا الحقل تلك التي تمت في جامعة طوكيو باليابان والتي استخدموا فيها نوع من الأقمشة عاكسة للضوء والتي تعمل كأقمشة فوتوغرافية..

يقول البروفيسور Susumu Tachiشارحا لتلك العملية..” سوف تكون هناك كاميرا خلف الشخص الذي يرتدي تلك العباءة، الصورة من الكاميرا سيتم إسقاطها على العباءة بحيث اذا نظرت لها من الأمام سوف ترى الصورة المسقطة من الكاميرا على العباءة وبذلك تبدو وكأنها شفافة”.

ولا يخفي عليك أن هذه التقنية لها تطبيقات عديدة فعلى سبيل المثال يمكن استخدامها في الديكورات بحيث توضع الكاميرات على الجدران الخارجية وعندما تكون بالداخل سيبدوا لك أنك تنام في العراء..!

شاهد فيديو كامل للعمليةوبعض التطبيقات التي ستستخدم فيها هذه التقنية………مذهل جدا!

http://www.youtube.com/watch?v=PD83dqSfC0Y

ماذا بعد..؟

بعد كل تلك المحاولات من شتى بقاع المعمورة والتي تجلي إصرار الإنسان على تحقيق مبتغاه ، هل لاحظت أن منبع كل هذه الأفكار وملهمها كانت فكرة خيالية-وإن كان لها أصل علمي- من كاتب يعيش في القرن التاسع عشر أخرج ما في رأسه على وريقات وصلتنا فألهبت عقول العلماء.. هكذا هو العلم وهكذا هي الابتكارات دوما تبدأ بفكرة ،بذرة من الخيال تأتي للشخص قي لحظة تجلي ، لكن الفرق بين العبقري وغيره من باقي البشر هو أن الأنسان العادي تمر الأفكار والأحداث أمام ناظريه دون التشبث بها ودون إعمال عقله فيها أما العبقري فهو مؤمن بفكرته…. على يقين بأن المستحيل كلمة أزيلت من القاموس البشري منذ زمن بعيد…

في البداية النظرية مبنية علي اكتشاف خاصية جديدة من ضمن خواص المادة وهي عند حركتها يحدث لها انحناء بطريقة هندسية معينة تشبه في مسار حركتها الهندسية الشكل الهندسي للزنبرك من لحظة استقامته حتي يتكون الشكل الحلزوني في النهاية وهذا الاختلاف في الشكل الهندسي يرجع ويتناسب طرديا مع سرعة الجسم أي عند زيادة سرعة الجسم المتحرك تزداد درجة انحنائه حول نفسه ليظهر بالشكل الهندسي المفصل بدقة في النظرية.

وبناءا علي ذلك كله تفترض النظرية أن أصل كل شيء في الكون عبارة عن جسيمات فهي عكس نظرية الأوتار تمام في اعتبارها أن أصل كل الجسيمات عبارة عن أوتار مهتزة بطريقة معينة.

النظرية تقوم علي أربع مبادئ أساسية وهي:

• وجود الأجسام المتحركة في أبعاد مختلفة تبعا لهندسة حركة الجسم.
• انحناء الأجسام إلي بعضها البعض انحناء نسبي.
• سرعة جسيمات الضوء المتحركة أكبر من سرعة الضوء نفسها، وهناك جسيمات تسير بسرعة أكبر من سرعة الضوء، والضوء عبارة عن جسيمات ويتحرك في مسارات حلزونية هندسيا.
• من تطبيقات النظرية تفسير ماهية تشكل المغناطيسية هندسيا والجاذبية والثقوب السوداء والشحنة وميكانيكية أثارة الذرة وماهية الطاقة والموجات.

أولا: المبدأ الأول مبني علي أساس النظام الحركي الجديد المكتشف طبقا للمعادلات الرياضية وهي حركة الأجسام في مسارات حلزونية أو زنبركية وبالتالي تواجد الجسم في أبعاد مكانية مختلفة خلال وحدة الزمن.

ثانيا: المبدأ الثاني مبني علي أساس الحركة النسبية بين الأجسام المتحركة وسبب تمدد الزمن عند القياسات بين الأجسام المتحركة بالنسبة لبعضها وهذا يرجع إلي انحناء الجسم إلي الأخر في أتجاه حركة الجسم المتحرك الراصد ويتبعها رياضيا اكتشاف الصفة الخاصة بحركة الأجسام وهي انحنائها علي نفسها في مسار هندسي موجي تبعا لجاذبية ناشئة عن حركة الجسم نفسه.

ثالثا: المبدأ الثالث مبني علي أساس أن أصل كل شيء عبارة عن جسيمات والموجات والأشعة والطاقة عبارة عن جسيمات ولكن أنظمتها الحركية مختلفة طبقا للمبدأ الثاني وهو انحناء الجسم المتحرك علي نفسه في مسار هندسي معين وبناءا عليها الضوء يحمل الصفة الجسيمية وفي نفس الوقت تظهر عن طريق الأجهزة الصفة الموجية بناءا علي مسار حركته الموجية وبالتالي عند قياس سرعة الضوء علي أساس المسافة التي تحركها الضوء خلال وحدة الزمن علي أساس مسار مستقيم ليست صحيحة ولكن طبقا لنظرية الأبعاد فالجسيمات المكونة للضوء تسير في مسارات حلزونية بهندسة معينة محددة في النظرية فعند قياس سرعة هذه الجسيمات تقاس المسافة الكلية للجسم المتحرك في المسار الحلزوني وليس المسار المستقيم خلال وحدة الزمن لنجد عندها أن سرعة جسيمات الضوء أكبر من السرعة المقاسة من قبل العلماء.

رابعا: من تطبيقات النظرية تفسير ماهية الجاذبية وهي عبارة عن أي جسم متحرك ذي كتلة معينة يولد جاذبية هذه الجاذبية تظهر هندستها في الشكل الحلزوني عند السرعات العالية كسرعة الضوء وهي عبارة عن الفرق بين قوة الجسم في المسار الحلزوني وفي المسارة المستقيم لذا نجد أن  العلماء عن قياس سرعة الجسم المتحرك علي أساس مساره المستقيم خلال وحدة الزمن لن تتعدي سرعة الضوء بالرغم من الطاقة المزودة لتعجيل الجسيم ليسير أسرع من الضوء وذلك لان الجسم أتخذ مسار حلزوني هندسيا عند حركتها وازداد هذا الانحناء مع زيادة السرعة لذا قدرت سرعة الجسيمات للضوء عن طريق معادلة تمدد الزمن وكانت 3.33 × ⁸10 م/ث وعند الوصول إلي أقصي شكل هندسي يستطيع الجسيم أن يصله عند أقصي سرعة ممكنة كانت ⁵10 ضعف سرعة الضوء وهذه هي سرعة الجسيمات المكونة للثقوب السوداء لذا تم وصفه بشكل دقيق ماهية الثقوب السوداء هندسيا.

بعد ذلك تم وصف حقيقة وماهية الشحنة وهي عبارة عن اختلاف في مسارات الحركة هندسيا هو ما يشكل لدينا قوي التنافر والتجاذب بين الجسيمات لذلك وجدنا منذ عهد قريب ما يسمي بالجسيم المضاد كجسيم الإلكترون الموجب أو البيزيترون.

أثارة الذرة كما نعرفها وتعلمناها قديما طبقا لنظرية التأثير الكهروضوئي هي عبارة عن سقوط كم من الطاقة الضوئية المتمثلة في الفوتونات كما وضح أينشتين في سابق عهده في نظرية التأثير الكهروضوئي وبعدها بور أنه يحدث أثارة للإلكترون ونقله من مدار يسير فيه ذي طاقة معينة إلي مدار أخر ذي طاقة أكبر ما يلبث أن يفقد هذه الطاقة المكتسبة في صورة طاقة إشعاعية ذي طول وتردد موجي معين ولكن نظرية الأبعاد جاءت لتؤكد نتيجة لإحدى فرضياتها وهي أن عملية الإثارة الذرية تتم عن طريق تصادم مرن بين جسيمات ذات طاقة حركية معينة مع جسيمات كالإلكترون مثلا فترتبط به ليحدث ارتداد مرن أخر فتنطلق هذه الجسيمات التي تملك هذه الطاقة الحركية بسرعه مختلفة عما كانت سابقة وكما وضحنا في المبدأ الثاني أن الأجسام تنحني أثناء حركتها فتظهر بطول وتردد موجي معين وهناك تصادم غير مرن فتحدث تفتت في الجسيمات وإنتاج جسيمات أقل في الكتلة.

وفي النهاية هذه النظرية تحتاج إلي تجربة عملية لتثبت صحتها من خطأها لذا قمت بتحديد التجربة نظريا وهي عبارة عن أسقاط شعاع ضوئي أبيض علي منشور زجاجي ليتم تحليله إلي الأطياف اللونية السبعة وأستقبلها علي حائل حساس للضوء مزود بساعة ذرية تستطيع أن تقيس زمن الفيمتوثانية……..الهدف من التجربة هو هل هناك فروق مختلفة بين الأطياف الموجية اللونية في زمن وصولها للحائل أم لا أي هناك اختلاف في سرعتها أم لا.

وطبقا للنظرية النسبية الخاصة لأينشتين والنظرية الموجية لماكسويل ونظرية الأوتار وجميع أراء العلماء متفقين علي ثبات سرعة الضوء وأن الأطياف اللونية الموجية ستصل في زمن واحد أي أن سرعتها واحدة.

أما طبقا لنظرية الأبعاد وفرضيتها أن كل شيء أصله عبارة عن جسيمات وأن الأطياف الموجية اللونية عبارة عن جسيمات تتحرك بسرعات مختلفة وبالتالي ستصل في أزمنة مختلفة الفروق الزمنية تقدر بأجزاء من الفيمتو من الثانية. فعندها ستدحض النظريات السابقة كلها علي هذا الأساس عند أتفاق نتائج التجربة مع قياسات وحسابات النظرية.

أيمن كامل عبد الستار بكري

مساعد باحث بالمركز القومي للبحوث قسم ميكروبيولوجي

لماذا فيزياء الاوتار

http://pdfcast.org/pdf/1298545654

http://pdfcast.org/pdf/theory-of-dimensions-1

رب صدفةٍ خير من ألف ميعاد: حينما كان يدرس الرماد الناتج عن عملية التفريغ الكهربي بين قطبين من الكربون باستخدام ميكروسكوب إلكتروني عالي الكفاءة (High-resolution transmission electron microscope)، لاحظ سوميو ليجيما أن هناك بعض اللمعان أو البريق داخل هذا الرماد فاعتقد أن الكربون تحول إلى ماس فقرر فحصة بطريقة جيدة، استخدم سوميو ليجيما الميكروسكوب الإلكتروني لفحص الرماد ووجد أن جزيئات الكربون في وضع غير طبيعي فوجئ ليجيما بشيء آخر وهو أن جزيئات الكربون قد التفت لتتصل ببعضها البعض مكونة ما يشبه الأنبوب من هنا بدأت قصة أنبوب النانو الكربوني ومنذ ذلك الحين استطاعت أنابيب النانو الكربونية أن تستقطب العلماء، والمهندسين، والأطباء في مسعى لإطلاق قدراتهم الكامنة لمعرفة خواصها الكهربائية، والضوئية، والميكانيكية الاستثنائية والمميزة.

الشكل (1): الأنابيب النانوية التي اكتشفها (ليجيما)

أقوى من الفولاذ؟

أثبتت تجارب لحساب قوة شد أنابيب النانو الكربونية انها عالية جدا، حوالي 60 GPa. في حين أن قوة الشد للفولاذ حوالي 0.8 GPa. السؤال المطروح هو لماذا أنابيب النانوية هي اقوى مائة مرة تقريبا من الفولاذ؟

دعونا نحسب قوة الشد لأنبوب نانو وحيد الجدار، كما هو مبين أدناه. وبعد تأمين نهاية مرئية لأنبوب النانو نطبق عليه قوة الشد F منها إلى الطرف الآخر من الأنبوب. في الشكل (2) تشير الكرات الحمراء إلى ذرات الكربون بينما تُمثل الرابطة التساهمية بين هذه الذرات بواسطة الخطوط صفراء. والخطوط الزرقاء تبين الاضراب الذي ووجه على طول محور أنابيب، والسهم الأصفر يوضح اتجاه قوة الشد F.

دعونا نفترض أن الروابط بين ذرات الكربون تكون متطابقة بين بعضها البعض والتي يرمز لها ((C-C،σ-bonds)، والزاوية بينهما تساوي 120 درجة (الشكل السداسي). فعندما تمتد أنابيب النانو فان هذه الروابط سيكون تمتدها مماثلاً. هذا ما يجعل طرق كسر أنبوب النانو طرق معقدة جدا وخيالية اعتمادا على ( (C-C. فمن المعروف أن المسافة d بين ذرات الكربون المتقابلة في أقرب الأحيان d = 0.15 nm. لحساب N of bonds  نجد ان

ولحساب f  تستعمل المعادلة:

حيث: حيث N_A هو ثابت أفوجادرو.ولكسر (c-c) ومن أجل زيادة المسافة بين ذرات الكربون فننا سنحتاج إلى تطبيق القوة F₁، ويجب ان تكون هذه القوة أكثر من ظل زاوية الميل (انظر الخط المنقط الأزرق في الرسم البياني). بذلك يمكن ان نعدل المعادلة إلى:

وهي التي تحدد قيمة كسر الرابط بين الذرتين (c-c)هذه المعادلة تعطينا القيمة لرابط واحد من (c-c) ولكن اذا اتينا لنحسبها لأنبوب نانو وحيد الجدر وفرضنا ان قطره  D =1.5 nm فإننا سنحصل على N =18 مما يجعل قيمة F_max > 3،

من هنا ومن اجل حساب σ_max للمقطع المستعرض  S= πD2/4 فان

الشكل (3): رسم بياني يوضح المسافة الواجب توفرها لكسر (c-c)

تجارب معمليه:

هذا من ناحية رياضية ولكن طرأ في السنوات الأخيرة تطور هائل في مجال المجهرية، بفضل المجهر الإلكتروني من جهة، وبفضل مجهر الطاقة الذرية (AFM) من جهة أخرى. تتيح، بعض الاختبارات البسيطة قياس الخصائص الميكانيكية، كمتانة المواد ومرونتها. و القدرة على الطيّ والمتانة عند الشد أو الضغط. من الواضح أنه بهدف قياس الخصائص الميكانيكية لأنابيب النانو. علاوة على ذلك، يمكن تزويد هذه المجاهر بأنظمة مختلفة تتيح الحركة وتشغيل قوى ميكانيكية وكهربائية. من هذه التجارب قياس ثابت المرونة المعروف باسم معامل يونج (Young’s Modulus).يصف هذا الثابت العلاقة بين الجهد وتقوّس أنبوب النانو عند الشد أو الضغط بالاتجاه الطولي.

تم الحصول في كل القياسات على قيم متقاربة من قيمة الفولاذ  وأقل من قيمة الماس. تدل حقيقة الحصول على قيم متشابهة بوسائل مختلفة، وبحسب نماذج نظرية مختلفة، على مصداقية النتائج.

كما تم قياس المتانة في الشد، أي الجهد الأقصى الذي يمكن تشغيله على أنبوب نانو منفرد قبل أن يتمزق كما كان في المعادلات أعلاه. تراوحت القيم التي تم الحصول في نطاق من 3 – 16GPa. غير أن قوة الشد لدى 50% من أنابيب النانو كانت قريبة من القيمة القصوى. هذه قيم عالية جدا لم يتم قياسها، قبل ذلك، في مواد مكروسكوبية. إضافة إلى ذلك تمددت واستطالت أنابيب النانو حتى 14% من طولها الأصلي قبل أن تتمزق. تعتبر هذه القيم عالية جدا، الذي يبدو في صورته المكروسكوبية هشا إلى حد كبير ولا يمكن شده على الإطلاق. إن الدمج بين المتانة والمرونة هي ظاهرة نادرة في المواد وتفسح المجال أمام استخدامات كثيرة للأجهزة الصغيرة، المواد المعقدة، وغيرها. يتيح إنتاج شكل نانومتري، الحصول على مادة ذات ميزات ميكانيكية جديدة تماما مقارنة بشكلها المجهري.

خواص أنابيب النانو الكربونية:

خواص أنابيب الكربون النانو مترية
القطر	1 to +10 nm
الطول	ميكرون 1 to +102
الشكل الخارجي	الواح ملفوفة من الجرافيت ،أحادية الجدار أو متعددة الجدر
الكثافة	cm /2.0 g
المساحة النوعية	100-250 m2/g
اللون	اسود
معامل يونج	واحد Tba
النفاذ الحراري	مثل النحاس
التوصيل	موصل أو شبه موصل اعتماداً على الانحناء الأسطواني

لماذا يدفئنا ثوب القطن أكثر من ثوب الصوف؟.

لأن القطن موصل أكفأ للحرارة، ومن ثم فهو أقل منعا من الصوف لتبديد حرارة الجسم.

لماذا يشتد البرد في الجبال العالية، مع أنها أقرب إلى الشمس من الأودية والسواحل؟

لأن سطح الأرض موصل جيد للحرارة، فهو بذلك. بمثابة خزان كبير لحرارة أشعة الشمس الساقطة عليه. أما الجبل العالي، فهو جزء صغير من سطح الأرض، فلا يخرن سوى كمية قليلة من الحرارة. هذا من جهة ومن جهة أخرى تزداد كثافة الهواء علي سطح الأرض وفي جواره، وبذلك يشكل الهواء الكثيف حاجزا يمنع الحرارة من الانتشار، لكونه موصل رديء للحرارة. أما الهواء المحيط بأعلى الجبال، فهو قليلا لكثافة، ومن ثم تنتشر الحرارة المخزونة لخلو الأحوال من المانع. وهذا بالضبط هو حال الثوب الرقيق، فهو أقل وقاية لنا من البرد.

لماذا يكون الحديد في الشتاء أبرد من الخشب؟

لأن الحديد موصل جيد للحرارة، فيأخذ فورا حرارة اليد، أما الخشب فهو عازل للحرارة.

لماذا يقع الصيف في البرازيل في وقت الشتاء عندنا؟

لأن البرازيل تقع في نصف الكرة الجنوبي، ونقع نحن في النصف الشمالي. بما أن الأرض تأخذ شكلا مستديرا، فأشعة الشمس تسقط في الصيف باتجاه قريب إلى الخط العمودي، بينما يقع على البرازيل وغيرها من بلاد نصف الكرة الجنوبي باتجاه أبعد من الخط العمودي.

لماذا يتغيّر لون البحر؟

لأن البحر أسود في الليل الدامس، وهو في النهار أزرق على الأغلب، لانعكاس زرقة السماء فيه ويصير رماديا إذا انعكست فيه غيوم بذلك اللون. يكون أخضرا على مقربة من الساحل، خصوصا إذا نفذ نور الشمس إلى داخل مياهه الضحلة، وانعكس من قعره إلى عين الناظر.

لماذا نرى نور الشمس أحمر إذا أغمضن اعينينا؟

لأن بياض نور الشمس ينفذ إلى دم جفوننا، فلا يعكس منه سوى اللون الأحمر.

لماذا نرى صور الفلم متحركة، مع كون الفلم مركب من صور ثابتة؟.

لأن صور الفلم تتوالى أمام عيوننا بعدد يصل إلى نحو ست عشرة صورة في الثانية. والحال أن صورة كل شيء تراه، يبقى تأثيرها في شبكية العين إلى عشر الثانية، فيتوهم كل منا، أن كل صورتين متتابعتين في الفلم، صورة واحدة تظهر لعين الناظر متحركة.

لماذا لا تغرق المدرعة مع كونها مصنوعة من الفولاذ؟.

لأنها جوفاء، وفي جوفها كمية كبيرة من الهواء، فثقلها مع ذلك الهواء أخف من ثقل الماء. وعلى كل لا يمكن للمدرعة أن تغوص في الماء، إلى ما فوق خط مؤن مرسوم على جانبيها وإلا غرقت.

لماذا لا ينفذ الماء من الرداء الواقي من المطر؟

لأنه مصنوع من نسيج مغطس في وعاء يحوي على مطاط مذاب، وبالتالي يسد كل الثقوب الدقيقة، مما يمنع الماء من النفوذ.

لماذا تسقط قطعة معدن بسرعة، وقطعة نسيج مساوية لها بالوزن، على مهل؟.

لأن سرعة سقوط كل الأشياء على الأرض هي واحدة، لكن مقاومة الهواء لسقوطها تختلف باختلاف أشكالها. ومن الواضح أن تلك المقاومة أشد جدا مع قطعة النسيج منها مع قطعة المعدن.

الحمد لله تعالى وحده لا شريك له ولا ندَّ له، والصلاة والسلام على من بحبِّه لله لا مثيل له ولا نظير له. إنّ الهدف الأساسي الذي أنشده من خلال هذه السلسلة هو أن أبيِّن بعض المعالم الأساسية في ميكانيكا الكم، والتي يصعب أن نجد شرحاً لها بهذه الطريقة. وليس الهدف أن نعيد شرح هذه المواد كما في المناهج والكتب التي تركز على الجانب الرياضي من هذا العلم، فيخرج الطالب المتميز في الفيزياء بعدها خبيراً في الرياضيات، ولكن لا علم له من قريب أو بعيد بالمعاني الفيزيائية المتضمنة لها، والتي هي أهم من الجانب الرياضي.

في هذه الحلقة سنسلط الضوء على معادلة شرودنغر الموجية دون تفاصيل رياضية طويلة أو قصيرة، ولكن لنتعلم ماهيتها ومن أين جاءت، والمعاني الرياضية والفيزيائية المرافقة لها، ولنعرف ما هي التناقضات الفلسفية بينها وبين نتائجها من جهة، وبين الفيزياء الكلاسيكية والمبادئ الحتمية من جهة أخرى، ومن هنا نبدأ بحول الله.

تعريف عام بمعادلة شرودنغر الموجية

إنّ معادلة شرودنغر الموجية هي معادلة تفاضلية من الدرجة الثانية، وهذه المعادلة هي المكافئ الموجي الكوانتي لمبدأ حفظ الطاقة في الفيزياء الكلاسيكية، وتكتب هذه المعادلة على الصورة التالية:

ĤΨ = EΨ

حيثّ أنّ Ĥ يسمى بالهاملتونيان من الناحية الفيزيائية، وهو المؤثر التفاضلي للطاقة، ويطلق عليه رياضياً اسمEigen vector، أما E فهي طاقة النظام من الناحية الفيزيائية وهي مقدار ثابت، وتسمى رياضياً بالقيمة المميزة Eigen value. بالنسبة للمصطلح Eigen value فهو مركب من كلمتين، الأولى Eigen وهي كلمة ألمانية معناها مميز أو صحيح، والكلمة الثانية وهي value، ومعناها قيمة.

والهاملتونيان مكون من مجموع حدين: الأول هو حد تفاضلي من الدرجة الثانية والذي يمثل الطاقة الحركية، أما الحد الثاني فهو طاقة الوضع، وليس حداً تفاضلياً، وهو الذي باختلافه يختلف حل معادلة شرودنغر، وهو الذي يحدد مدى تعقيد الحل أو بساطته.

إنّ حل معادلة شرودنغر يعطي دالّة أو اقتراناً يمثِّل معادلة الموجة ويرمز له بالرمزΨ، والمعلومة التي يقدمها هذا الاقتران الناتج عن حل هذه المعادلة هي سعة الموجة.

ومع أنّ البعض يرى أنّه لا يوجدٌ معنى فيزيائياً وراء Ψ بحد ذاتها، إلا أنّ هذا الكلام قد لا يكون صحيحاً، فلو قالوا أنه لا توجد أهمية مباشرة ل Ψ لكان قولُهم أصح، وهي أيضاً غيرُ قابلة للقياس، أي أنها كمية نظرية بحتة، وهذا على خلاف الدالة الموجية الكلاسيكية، والتي يمكن قياسها مباشرةً.وقد جاءت معادلة شرودنغر من خلال تفاضل معادلة الموجة الجيبية الكلاسيكية المعلومة سلفاً وهي:

Ψ = A Sin (κ x – φ) , Equation of Sine wave

حيثُ أنّ κ هو العدد الموجي، وهو عبارة عن عدد الأمواج في مسافة مقدارها وحدة واحدة، لكن يبدو من خلال تعريفه الرياضي أنّ مقدار هذه الوحدة يساوي 2π، وبالمعادلات:

κ = 2 π/λ

و φ هو ثابت الطور، وهو ثابت تفاضلي اختياري لا يظهر في معادلة شرودنغر.

أما A فهو ثابت اختياري أيضاً لا يظهر في المعادلة التفاضلية، ويمثل أقصى سعة للموجة.

والحالة الموجية الثابتة التي على هذه الصورة، والتي هي الموجة الجيبية، هي حالة خاصة، حيثُ تكون طاقة الحركة وطاقة الوضع للموجة ثابتتين كل منهما على حدىً، لذلك فإنّ العدد الموجي لهذه الموجة سيكون ثابتاً، وسيعطي هذا طولاً موجياً ثابتا دائماً.

وهذه الموجة تمثل حالة موجيةً ثابتة كما أسلفنا، وتعميم المعادلة التفاضلية الناتجة عنها، لتشمل جميع الحالات الموجية – وليس فقط الموجات الجيبية – أنتج لنا ما يُعرف بمعادلة شرودنغر.وللمعلومة فإنّ أيّ اقتران رياضي يعطي معادلة تفاضلية واحدة له، والأمر ليس عشوائياً أو اختيارياً.

المعنى الرياضي لمعادلة شرودنغر

يعلم أيُّ شخص يعرف مبادئ التفاضل وخواص الاقترانات الرياضية أنّ المشتقة الثانية لأيِّ اقترانٍ رياضي تكشف عن تقعر ذلك الاقتران، فإذا كانت المشتقة الثانية موجبة، فإنّ الاقتران سيكون مقعراً لأعلى، أما إن كانت سالبة، فإنّ الاقتران سيكون مقعراً لأسفل.لكن عند النقطة التي تكون المشتقة الثانية تساوي الصفر، فإنّ هذه النقطة تكون نقطة انعطاف، وهي النقطة التي يتحول بعدها الاقتران مباشرةً من مقعر لأعلى إلى مقعر لأسفل، ولكن في تلك النقطة بالتحديد فإنّ الاقتران يكون في حالة حيادية من ناحية التقعر، لذلك فإنّ المماس عند تلك النقطة سيكون قاطعاً بلا شك.ننوه إلى أنّه يمكن كتابة معادلة شرودنغر على هذه الصورة:

Ψ” = – 2m/ħ² TΨ

حيثّ أنّ T هي الطاقة الحركية، والتي هي (E – V). ومن خلال هذه الصورة الأخيرة، فإنّ المشتقّة الثانية ل Ψ تتناسب مع سالب الطاقة الحركية ومع Ψ أيضاً.

إنّ هذا يعني أنّ التقعُّر يجب أن يكون دائماً باتجاه محور السينات، ولكن لماذا؟

ذلك أنّ الطاقة الحركية موجبة، وبوجود إشارة السالب، إن كانت Ψ موجبة (أي أنها فوق محور السينات) فإنّها يجب أن تكون مقعرة للأسفل، أي باتجاه المحور، لأنّ المشتقّة الثانية ل Ψ ستكون سالبة.

أما إن كانت Ψ سالبة (تقع تحت محور السينات) فإنّ المشتقّة الثانية ل Ψ ستكون موجبة، و سيكون الاقتران مقعراً للأعلى (أي باتجاه محور السينات أيضاً.

لذلك نجد دائماً أنّ التقعر في الموجات يكون باتجاه المحور كما يبين الشكل:

يظهر من هذا أن Ψ لا يمكن أن تدير ظهرها لمحور السينات ضمن هذه الفترة والتي هي فترة كلاسيكية.

لكن متى تساوي المشتقّة الثانية ل Ψ الصفر ؟

بالطبع فإنّ “Ψ ستساوي الصفر لأيّ نقطة انعطاف كما ذكرنا سابقاً، ولا يحدثُ هذا إلا أن تكون Ψ ذاتها مساوية للصفر، أو أنّ الطاقة الحركية تساوي الصفر، ويبدو هذا واضحاّ من خلال المعادلة الأخيرة.

أماΨ  فتساوي الصفر عندما تتقاطع هذه الدالة مع محور السينات، والشكل الأخير يوضح هذه الفكرة جيداً، ويمكن الملاحظة أنه عند أي نقطة التقاء بين Ψ ومحور السينات فإنّ هذه النقطة دائماً هي نقطة انعطاف، ويتضمن هذا أنّ سعة الموجة تساوي الصفر في تلك المنطقة.

أبرز المشكلات الفلسفية في معادلة شرودنغر من وجهة النظر الحتمية

من الوهلة الأولى فوجود معادلة حفظ الطاقة على هيئة معادلة تفاضلية، بدلاً من دالة رياضية متصلة رياضيا، سيسبب مشاكل نظرية كبيرة.وذلك أنّ حل هذه المعادلة التفاضلية سيحتمُ وضع شروط محددة ليكون الحل صحيحاً، لذلك كان علينا أن نشترط أنّ الطاقة لا بدّ أن تأخذ قيماً منفصلة (مكماة).

بينما في الميكانيكا الكلاسيكية، فإنّ الطاقة كمية متصلة، ولا يجوز أن تأخذ قيماً محددة، ولا وجود لقيم للطاقة غير مسموح بها.

هذه المشكلة بدت معالمها من الوهلة الأولى كما ذكرت، وقبل حل المعادلة، لكن هنالك مشاكل ستظهر بعد حلها أيضاً.

والمشكلة الثانية أنّ الدالة الموجية تتقاطع مع محور السينات أحياناُ عند نقاط الانعطاف كما ذكرنا، وهذا التقاطع سيجعل سعة الموجة عند تلك النقاط مساويةُ للصفر، مما يعني عدم وجود الجسيم الذي تمثله تلك الدالة في تلكم الأمكنة، بينما يتواجد حولها، بل ويعبر من تلك المنطقة التي يمكن وجوده فيها إلى المنطقة الأخرى التي يمكن أن يوجد فيها أيضاً، مارّاً في المنطقة التي بينهما دون أن يتواجد فيها.

والمشكلة الثالثة هي وجود الدّالة في أما كن مختلفة في ذات الوقت، ولأنّ وجود الدالة يعني وجود الموجة، وهذه الموجة قد تكون إلكتروناً مثلاً أو غيره، فهذا يعني أنّ الإلكترون يجب أن يكون موجوداً في عدة أماكن في وقت واحد، وهذا ما يتناقض مع الفطرة السليمة، وبالتالي مع الفيزياء الكلاسيكية، ومع الفلسفة الحتمية أيضاً.

لكن هذه المشاكل يمكن قبولها من الناحية الكلاسيكية، وذلك بأخذ التفسير الموجي للمادة، فلو قلنا من البداية أنّ الإلكترونات مثلاً هي أمواج، لما سببت لنا هذه النتائج قلقاً كبيراً.

لكنّ مصيبةً كوانتيةً ما زالت مخبأةً بعد، ولم تكشف عن نفسها للآن، وهذه المصيبة الكوانتية تكمن في أنّ الدالة الموجية تعطي قيماً في منطقة محرمة كلاسيكياً، فتتنبّأ بوجود الجسيمات الموجية في الفترة التي لا يمكن كلاسيكياً أن توجد فيها، وذلك لأنّ طاقتها الحركية تكون قد استنزفت بفعل طاقة الوضع قبل وصولها لها، أي أنها منطقة ذات طاقة حركية سالبة، وهذا ما يتناقض بالفعل مع الفطرة السليمة، ولا يمكن أن تقبل به الفيزياء الكلاسيكية تحت أي ظرف.

ويحدث هذا بسبب اختراق الدالة كما ذكرنا الحاجز الكلاسيكي عند النقطة التي تسمى نقطة الانقلاب الكلاسيكية، وهي إحدى نقاط الانعطاف، لأنّ الطاقة الحركية عندها تساوي الصفر، وقد أوضحنا أنّ نقاط الانعطاف توجد عندما تكون الدالة صفراً أو أنّ الطاقة الحركية تساوي الصفر.

وبعد نقطة الانعطاف هذه يتحول الاقتران من مقعر لأسفل باتجاه المحور الأفقي، إلى مقعر لأعلى، وهذه هي الحالة الوحيدة التي فيها تدير الدالة ظهرها لمحور السينات كما يبين الشكل:

في الشكل الأخير يمثل المستقيم الأخضر طاقة الوضع، بينما يمثل محور السينات الطاقة الكلية، وهي مقدار ثابت كما هو ملاحظ.

وعند الخط العمودي الذي يظهر في الشكل فإنّ الطاقة الحركية تساوي الصفر، وتساوي طاقة الوضع الطاقة الكلية، والفترة الداخلية تسمى بالفترة الكلاسيكية كما في الشكل:

ويلاحظ كيف أنّ الدالة تنهار تماماً بعد هذا الخرق السافر للأعراف والقوانين التقليدية، لكي تصل الصفر بعد فترة ضئيلة نسبياً، حيثُ أنّ هذا الخرق لا يستمر طويلاً، فعلى الرغم من أنّ الميكانيكا الكوانتية اعتادت على مخالفة الفيزياء الكلاسيكية، إلا أنها أيضاً لا تفضل أن تتمادى كثيراً بذلك.

أود أن أطرح مثالاً لكي يتوضّح الأمر أكثر:

لو أنّنا قذفنا جسماً إلى أعلى بسرعة 10 م/ث، فإنّ هذا الجسم سيصل إلى أقصى ارتفاع وهو 5 م على اعتبار تسارع الجاذبية الأرضية 10 م/ث².

حسناً، لو قذفنا 1000 جسم بنفس تلك السرعة من نفس المكان، فلن تتغير النتيجة (أي أنّ النتيجة لن تتخلّف).

ولو قذفنا 10¹⁰ من الأجسام فلن تتغير النتيجة، ولن يتمكن أي من هذه الأجسام أن يتعدى حاجز الخمسة أمتار، ولن تكون هنالك فرصة لبعض هذه الأجسام من تعديها أو حتى عدم الوصول إليها، فالنتيجة معلومة محددة سلفاً.

هذه النقطة التي لا يمكن للأجسام أن تتعداها تسمى بنقطة الانقلاب الكلاسيكية، وهي النقطة التي تكون الطاقة عندها بالكامل على شكل طاقة وضع، والطاقة الحركية عندها تساوي الصفر.

بطبيعة الحال يختلف تعريف هذه النقطة من نظام لآخر، فقد لا تختفي الطاقة الحركية مطلقاً، فمثلاً في نظام كالمجموعة الشمسية، فإنّه توجد لكل كوكب نقطتي انعطاف هما الأوج والحضيض، وعند هاتين النقطتين تكون السرعة القطرية مساوية للصفر، أي أنّ الطاقة الحركية القطرية هي المساوية للصفر بينما الطاقة الحركية الزاوية ليست كذلك، وتبقى موجودة.

لنرجع لمثالنا، فحسب الميكانيكا الكوانتية هنالك احتمال واحد من ألف مثلاً أن تتجاوز بعض الأجسام المقذوفة بتلك السرعة حاجز الخمسة أمتار، لذلك سيكون لدينا جسم واحد من الألف سيجتاز ذلك الحاجز.وسيكون لدينا 10⁷ من ¹⁰10 سيجتاز ذلك الحاجز، وهذا كما ذكرت لكم لا يمكن أبداً قبوله ولا بأي تفسير كلاسيكي.

الأهمية الفيزيائية لحل معادلة شرودنغر

ذكرنا أنّ حل معادلة شرودنغر لأي نظام موجي يعطي صورة معادلة الموجة Ψ، وأنّ هذه الدالة تمثل سعة الموجة عند موضع معين.لكنّ الأهمية الفيزيائية من وراء Ψ لا تظهر إلا إذا وجدت Ψ مع مُرافقها الرياضي – ويرمز له بالرمز*Ψ –  لكي نوجد العناصر الاحتمالية للموجة صاحبة هذه الدالة.

إنّ أهمية الدالة الموجية الكوانتية في أنّ مربعها المطلق يعطي كثافة الاحتمال وليس الاحتمال لوجود الجسيم عند أي نقطة.

فيُعطى الاحتمال من خلال العلاقة التالية:

حيث أنّ dP هو احتمال وجود الجسيم في فترة مقدارها dx، ويمكن الحصول على احتمال وجود الجسيم ضمن أي فترة بإجراء التكامل على طرفي المعادلة الأخير بدلالة dx، حيث أنّ احتمال وجود الجسيم ضمن الفترة المعرفة عليها الدالة كاملة يساوي واحد. ويمكن الحصول على توقع أي كمية فيزيائية بوضعها بين الدالتين في المعادلة الأخيرة وإجراء التكامل على الفترة الصحيحة.وهنا تبرز مشكلةٌ فلسفيةٌ عميقة أيضاً، وهي أنّ هذه الدالة لا تعطي معلومات محددة لوجود للمادة، ولكنها تعطي معلومات ذات طابع احتماليٍّ لوجودها، وقد نوهنا أنّ الموجة تفترض وجود الجسيم الموجي على طول الفترة التي تتعرف عليها تلك الدالة، ولا تقوم فلسفتها على تحديد موقع الجسيم في موضع ما، وهذا كما سبق يمكن تعليله كلاسيكياً بوجود الخصائص الموجية للمادة.

لكن في الموجات الكلاسيكية فإنّ الاحتمالية تتمثل في Ψ  فقط وليس في مربعها المطلق، وهذا من الاختلاف بين الموجة الكلاسيكية والموجة الكوانتية.

الدالة الموجية لموجتين متراكبتين

أخيراً فإنّ الدوال الموجية قابلة للجمع، فإنه يمكن جمع دالتين موجيتين مختلفتين لينتج لدينا دالة جديدة ناتجة عن مجموعهما، وهذا يمكن عند تراكب موجتين معلومتي الدالتين، والتراكب يعني اختلاط الموجات وتداخلها.

ولكن لا يجوز أن نجمع الاحتماليات معاً، أي لا يجوز جمع مربعيهما مباشرة للحصول على الاحتمالية الناشئة عن تراكبهما، ولكن نربع الدالة الجديدة تربيعاً مطلقاً.

وهنا ننتهي بفضل الله من الجزء الرابع من هذه السلسلة التي أسأل الله تعالى أن ينفع بها، وانتظروا الجزء الخامس منها إن شاء الله. هذا والله أعلم، ولا تنسونا من صالح دعائكم

أ. مراد أبوعمر عضو منتدى الفيزياء التعليمي

 

 

من جديد نعود لنستضيف ضيف فريد، ضيف عرف منذ آلاف السنين ومعروف عند الجميع ظاهريا لكن باطنيا فقليلا من يعرفه، رحبوا معي اليوم بضيفي المحترم السيد كافيين، فأهلا وسهلا بك.

@SSI@ سيد كافيين الكل يعرف اسمك لكن لا يعرفون من أنت، من فضلك عرفنا عليك أكثر وعن تركيبتك الكيميائي؟

كافيين: نعم … أنا بشكل عام مادة طبيعية، ذو أصل نباتي، قلوي، صيغتي الكيميائية – C8H10N4O2 – أنتمي إلى عائلة البورينات و …

@SSI@ اسمحلي سيدي حتى أوضح ما هو البورين، البورين أعزائي هو مركب أبيض متبلور، وهو أحد الأسس الآزوتية التي تدخل في تركيب المواد الوراثية في الخليةADN  وARN، ويتكون البورين من حلقتين عطريتين مختلفتين متصلتين في التركيب البنائي. أكمل لو سمحت

كافيين : شكرا… إضافة لذلك فإني في شكلي النقي أكون عبارة عن مسحوق أبيض ذو طعم مر للغاية، أتواجد في بذور، أوراق وثمار أغلب النباتات التي تسلك سلوك المضادات الطبيعية.

@SSI@ بالفعل لاحظتك على هذه اللون عندما استخلصناك من الشاي الأخضر في المخبر هل تسمح لي بعرض صورتك حتى نربط الكلام بالصورة.

كافيين : بإمكانك ذلك بكل سرور وأيضا صورة صيغتي الكيميائية.

@SSI@ إذا إليكم الصور:

توضح هذه الصورة البنية الثلاثية الأبعاد للكافيين، والصورة الموالية توضح الكافيين في شكله النقي

      

البنية الثلاثية الأبعاد للكافين

الكافيين في شكله النقي

@SSI@ والآن سيدي أكيد الكل متلهف لمعرفة خصائصك الفيزيائية والكيميائية، فماهي؟

كافيين : إممممم .. خصائصي هي كالتالي:

وزني الجزيئي : 164.2 غ/مول

درجة الانصهار :236 م° و درجة التسامي(الضغط الجوي ) : 178 م°

طول موجة الامتصاص القصوى بالتقريب 274 نانومتر.

في المحاليل المائية تكون درجة الحموضة تتراوح بين 2 و 14

عبارة عن قاعدة ضعيفة جدا أشكل مع الأحماض أملاح غير مستقرة، وأكون نوعا ما مستقر في المحاليل الحمضية المخففة والمحاليل القاعدية. أجفف تماما من الماء عند الدرجة 80 درجة مئوية. قابل للذوبان في الماء والمذيبات العضوية بشكل معتدل، وتزداد الذوبانية في الماء بوجود بعض الأملاح كالبنزنوات. عديم الرائحة، عديم اللون (في المحلول)، ذو طعم مر مميز، سام بالنسبة للحشرات.

@SSI@ جميل جدا، لنكمل الحوار الممتع معك، عندما نسمع اسمك يتبادر إلى ذهن القارئ أنك موجود فقط في القهوة، فهل أنت كذلك؟

كافيين : هاهاها فعلا هذا ما لاحظته أنا أيضا لكن هذا خطأ فأنا أتواجد في العديد من المشروبات الأخرى غير القهوة مثل: الشاي الأسود والأخضر، مشروبات الكاكاوو، مشروبات الكولا والصودا الصناعية… وحتى في القهوة المنزوعة الكافيين لكن بنسبة ضئيلة جدا.

@SSI@ وهل الشايين نفسه الكافيين، لأني اعتقد أن الشايين في الشاي والكافيين في القهوة؟

كافيين : لا يا آنسة … في الشاي نفسه نجد الشايين والكافيين وكلاهما يختلف على الآخر

@SSI@ معقول !!! إذا ما الفرق بينهما؟

كافيين :الشايين هو في الواقع نوع من الكافيين. ومع ذلك ، فإنه له تأثيرات مختلفة، استخلاصه من الشاي يكون جد بطئ مقارنة بالقهوة ويتواجد بنسبة ضعيفة جدافي المشروبات، يحفز دون تهييج الأعصاب، مدة بقاء الشايين في الجسم تظل حوالي 6 إلى 8 ساعات في حين يتم التخلص من الكافيين في 2 إلى 3 ساعات. الشايين يؤدي إلى التأمل والتفكير، في حين أن الكافيين هو منشط طاقوي أكثر من ذلك.

وأيضا نجد أن الكافيين والشايين نفس الشيء أي نفس الجزيئة لكن اكتشفت من طرف شخصين مختلفين في السنوات ما بين 1820- 1830 حيث درس كل واحد منهما الشاي أو القهوة فقط.

@SSI@ سيد كافيين تعلم أن الكمال لله وبالتالي مهما كانت لديك إيجابيات أكيد لديك في المقابل سلبيات أو بالأحرى تأثيرات جانبية… أليس كذلك؟

كافيين : طبعا، بلا شك … إذا بدأنا بالإيجابيات فأنا أقلل من خطر التهاب البنكرياس ولكن لا يتم ذلك عند المدخنين. أقلل من الإمساك. أقوم بتعديل نسبة السكر في الدم.

وبالنسبة للصداع النصفي :تم التعرف على القهوة والكافيين على أنها علاج فعال من الصداع النصفي والصداع اليومي المزمن. أفيد في الوقاية من بعض أنواع السرطانات .

وفي الكبد :أثبتت التحاليل أن تناول كوبين من القهوة يوميا يقلل بنسبة 40 % من خطر التشمع الكبدي. في السياق نفسه، يمكن أن تحمي القهوة من سرطان الخلايا الكبدية.

يقلل من خطر ضعف الذاكرة وذلك حسب التجارب التي أجريت على 1600 شخص أعمارهم تفوق 80 عاما والتي أشارت إلى أن الناس الذين يتناولون القهوة بشكل منتظم طوال حياتهم ينخفض لديهم خطر ضعف الذاكرة المتعلق بالسن.

أما تأثيراتي الجانبية فهي كالتالي:

أولا النوم، أثبتت الدراسات أن تناول القهوة قبل النوم من 3إلى 6 ساعات يؤثر سلبيا على طبيعة النوم وتقلل بدرجة كبيرة من إفراز الملاتونين، وبالتالي فعلى الأشخاص الذين يعانون من مشاكل في النوم أن يتجنبوا استهلاك القهوة في 6 ساعات قبل النوم.

أؤثر على الدهون. وأؤثر سلبيا على القلب وارتفاع ضغط الدم.

الأمراض الجلدية: اشتكى نحو 40 % من الناس الذين يعملون في إنتاج البن المحمص من أعراض الحساسية: التهاب، حكة، التهاب الأنف والربو في بعض الأحيان.

التهاب المفاصل الروماتويديز: حيث بينت العديد من المنشورات وجود علاقة بين القهوة وظهور أو تطور التهاب المفاصل الروماتويدي.

بسبب تأثير الكافيين على الكاتيكولامينات، والأحماض الدهنية الحرة والنيوكليوتيدات الحلقية، فإنه يعتقد أن معدل الإجهاض وولادة أطفال ميتين، ووجود طفرات متناسبا مع استهلاك القهوة.

تأثيري على الدماغ: حيث أن تناول أكثر من 6 أكواب يوميا يزيد من خطر حدوث نزيف سحائي .

تأثيري على العين: حيث حلل أطباء عيون تغيرات توتر العين اعتمادا على كمية القهوة المستهلكة. وخلصوا إلى أن الأشخاص الذين يعانون من زرق العين في التوتر العادي أو ارتفاع ضغط الدم العيني يجب أن يتجنبوا تناول أكثر من 180 ملغ من الكافيين يوميا، بسبب الخطر المتزايد من زيادة ضغط العين في المرضى المعرضين لخطر الزرق.

@SSI@ في الختام، أشكرك سيدي على هاته المعلومات التي أفدتنا بها وأشكرك جزيل الشكر على قبول الاستضافة في هذا الصرح العلمي – منتدى الفيزياء التعليمي –

كافيين : لا شكر على واجب آنستي فلولا هاته الدعوة لما تعرفتم عني، واعتذر على التأخير في موعد الحلقة

أقراص لوغول هي وسيلة للوقاية من اليود الإشعاعي.

يتم توزعيها على الجمهور المتواجد بجانب مفاعلات البحث النووية من أجل الاحتماء في حال حدث تسرب للمواد الإشعاعية.

لأقراص اللوغول استخدام واسع في المناطق التي تعمل فيها مفاعلات أبحاث إشعاعية. إذ يتم في دول عديدة، مثل سويسرا، فنلندا، والسويد، توزيع الأقراص في مناطق شاسعة في الأيام الاعتيادية من أجل حماية الجمهور إذا اقتضت الحاجة.

وظيفة هذه الأقراص هي منع الإصابات الخطيرة الناجمة عن الإشعاعات ذات النشاط الإشعاعي عن طريق الغدد الدرقية في جسمنا.

تأثير اليود المشع

عند التعرض للإشعاعات ذات النشاط الإشعاعي، يمتص الجسم اليود المشع. يصل اليود المشع إلى الغدة الدرقية عن طريق الدورة الدموية، ويتم استيعابه فيها. عندها يطلق الأشعة على الأنسجة المحيطة بالغدة الدرقية ويحدث إصابات فتّاكة في الجسم.

فكرة بسيطة

تحتوي أقراص لوغول على 130 غرام من المادة الفعّالة يوديد البوتاسيوم.

عند تناول أقراص لوغول، يسبق يوديد البوتاسيوم، الموجود في القرص كما هو معروف، اليود المشع، ويستقر بسرعة في الغدة الدرقية ليملأها إلى الحد الأقصى. هكذا يمنع إمكانية الاختراق لأي يود آخر للغدة. فإذا تعرض من تناول القرص، لا سمح الله، إلى اليود المشع، لن يستطيع اليود اختراق الغدة الدرقية بسبب تواجد يوديد البوتاسيوم هناك؛ مع ذلك، لا يوصى بتناول أقراص اللوغول قبل التأكد من خطر تسرب المادة الإشعاعية في المنطقة. ليست هنالك أية فائدة من تناول الأقراص مسبقاً.

لم يكن يخطر للأطباء في مرحلة معينة أن بعض مظاهر الضعف والمرض التي يرونها في مرضاهم لا تعود إلى مرض معين من الأمراض المعروفة، وإنما إلى نقص في عنصر ما أو أكثر من العناصر الغذائية التي تزود الجسم بحاجته من أسباب الحياة.

هذه العناصر التي نسميها اليوم بالفيتامينات يحتاجها الجسم بكميات محدودة مقارنة مع المواد البروتينية أو السكريات أو المواد الدسمة. وقد اكتشفت هذه العناصر لأول مرة عام 1880 وقام العالم الأميركي Casimir Funk بإطلاق تسمية فيتامينات عليها. كلمة فيتامينات Vitamins مشتقة من كلمتين لاتينيتين هما vita وتعني الحياة وamine التي ترمز للمركبات التي تحتوي على نيتروجين، ولاحقاً تمّ الاكتشاف بأن النيتروجين ليس موجوداً في جميع الفيتامينات ولكن لم يتغير الاسم نظراً لانتشار استعماله.

لم يستطع العلماء عند اكتشافهم الفيتامينات بداية” تبيّن تركيبها وماهيتها، وإن عرفوها بآثارها وبأعراضها التي كانت تظهر عند الحيوان والإنسان، فراحوا يرمزون إليها بالأحرف الهجائية وبدؤوا بتسميتها نسبة” للتسلسل الزمني في اكتشافها بحروف آ، ب، ث، د، هـ. ورغم أنهم توصلوا الآن إلى معرفة كنه الفيتامين وتركيبه، وصاروا يركبونه اصطناعياً فما زالت التسمية الأبجدية سارية. وتعتبر الفيتامينات أساسية للنمو ولاستمرار الوظائف المختلفة للجسم ولإعادة بناء الأنسجة وقيامها بوظيفتها بطريقة صحيحة، حيث تشارك الفيتامينات في التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تقوم بتحويل الغذاء إلى طاقة، كما وتساعد على استخلاص ما في الغذاء من قدرة وحيوية تختزن داخل الجسم لحين العوز، لذا يسبب نقص هذه العناصر على المدى الطويل اعتلالات صحية يمكن أن تؤدي في حالات النقص الشديدة جداً إلى الوفاة، وقد لا تظهر عوارض العوز إلا بعد مضي أسابيع أو أشهر.

تعرف الفيتامينات بأنها مركبات عضوية منخفضة الوزن الجزيئي نسبيا” وغير منتجة للطاقة (سعرات حرارية)، وتختلف عن بعضها من حيث، التركيب الكيميائي ومصادر تواجدها ونشاطها النوعي المحدد. إن المصدر الأساسي للفيتامينات هو النبات ويأخذ الكائن الحي حاجته من الفيتامينات إما عن طريق الأغذية النباتية أو عن طريق منتجات الحيوان الذي تغذى بالنباتات، إذ لا يستطيع الإنسان مثلا” تصنيع الفيتامينات تلقائيا” في جسمه إلا مقادير قليلة من فيتامين (د – D) الذي ينتجه الجلد بتأثير الأشعة الشمسية وقليل من الفيتامين)  B2 و(K الذي تنتجه الجراثيم العاطلة الساكنة في الأمعاء. بشكل عام تصنّف الفيتامينات على أساس قابليتها للذوبان في الماء أو الدهون إلى:

1. فيتامينات قابلة للذوبان في الماء Hydrosolubles وتشمل مجموعة فيتامينات B وفيتامين C.
2. فيتامينات قابلة للذوبان في الدهون Liposlubles وتشمل مجموعة فيتامينات A, D, E, K

 الجدول التالي يوضح بإيجاز هذه الفيتامينات وأهم مصادرها وأهميتها الحيوية وأعراض نقصها

الفيتامين	مصادره	أهميته	نقصه
فيتامينات قابلة للذوبان في الدهون
فيتامين ( أ – A)	الخضروات  الخضراء، منتجات الحليب.	مهم في الرؤية، نمو العظم، الإنجاب، الانقسام ولتفاضل الخلوي، تنظيم نظام المناعة، الحفاظ على سلامة الجلد والأغشية المخاطية.	يؤدي إلى العشى الليلي وجفاف العين
فيتامين ( د- D )	المنتجات الغذائية الحيوانية كزيت السمك، كبد بعض الحيوانات البحرية، كبد البقر، صفار البيض والحليب والزبدة الحيوانية. وينتج بتأثير الأشعة فوق البنفسجية.	يساعد على زيادة معدل امتصاص الكالسيوم والفسفور بواسطة الأمعاء.	يؤدي إلى هشاشة العظام والكساح.
فيتامين (إي – E)	اللحوم والكبد والبيض والحليب  ومشتقاته والمواد الدسمة ورُشيمات الحبوب وبعض الخضار والفواكه.	يقلل من احتمالات الإصابة بتصلب الشرايين و يحمي أيضاً فوسفولبيدات الأغشية الخلوية وتحت الخلوية.	اضطرابات عصبية وأنيميا في المواليد الجدد.
فيتامين ( ك –K)	بعض المنتجات الحيوانية والخضراوات الورقية ، والأحياء الدقيقة في القناة الهضمية للإنسان والحيوان تصنعه.	يساعد على عملية تجلط الدم ويشارك في عمليات الأكسدة الفسفورية وتفاعلات النقل الإلكتروني في الميتوكندريا.	النزوفات الدموية المتكررة ونقص الامتصاص والاسهالات والانسداد الصفراوي  والنزيف في المواليد.
فيتامينات قابلة للذوبان في الماء
فيتامين (ب1 – B1)  (الثيامين Thiamine )	المصادر الغنية بالسكريات كالقمح والشعير والذرة والأرز (النخالة والجنين)، وفي الخميرة واللحوم.	كمرافق أنزيمي في تفاعلات أكسدة الأحماض الكيتونية ونزع مجموعتها الكربوكسيلية.	مرض الهزال الرزي أو البري بري (خطورة بالغة علي الجهاز العصبي والمخ والعضلات والقلب والمعدة والأمعاء ونقص وزن وهيجان مع اضطراب ذاكرة وسوء هضم وتعثر بالكلام).
الفيتامين	مصادره	أهميته	نقصه
فيتامين (ب2– 2B) (Riboflavin)الرايبوفلافين)	الحليب والبيض واللحوم والكبد والبقوليات والفواكه والخضار.	مهم لنمو الجسم وإنتاج خلايا الدم الحمراء ولوظائف الإنزيمات وتكوين الأحماض الأمينية والدهنية وإنتاج الجلوتاثيون وإطلاق الطاقة من الكربوهيدرات.	التهاب الشفتين والتهاب اللسان والتهاب الجلد الدهني وحساسية الضوء.
فيتامين (ب3– B3)  أو فيتامين  )ب ب PP)  النياسين أو حمض النيكوتينيك	الحبوب والخضار والخميرة والحليب والطماطم والجزر والبلح واللحوم الحمراء واللبن والبيض والأسماك والدواجن. يُصنع في جسم الإنسان بواسطة الأحياء الدقيقة المعوية من الحمض الأميني التربتوفان حيث يتحول جزء منه إلى نياسين.	كعامل مساعد للعديد من الإنزيمات النازعة للهيدروجين في السيتوسول والميتوكوندريا يستخدم النياسين علاجياً لخفض مستوى الكوليسترول في البلازما عن طريق تثبيط تدفق الأحماض الدهنية الحرة من الأنسجة الدهنية.	البلاجرا أو الحصاف الذي يتجلى بأعراض مختلفة كالوهن وفقد الشهية ونقص الوزن والدوار والصداع وطفح جلدي وردي على أجزاء الجلد المعرضة للضوء، كما يؤدي إلى الاضطرابات العصبية.
فيتامين (ب5–B5) حمض پانتوثنيك Pantothenic acid	خميرة البيرة وقشور الرز والنخالة والكبد وصفار. البيض واللحوم الحمراء وغذاء ملكات النحل وفي الكثير من الأغذية الحيوانية والنباتية.	أهمية في عمليات الأيض ونقل السلاسل الكربونية و لذلك فهو مطلوب لهدم الكربوهيدرات والبروتينات واللبيدات. الفيتامين مطلوب للنمو الصحي السليم للشعر وهو يستخدم في الطب الطبيعي كبديل للكورتيزون.	الضعف والوهن والغثيان والإقياء تترافق أحياناً بآلام بطنية والإصابة بمتلازمة القدم المحترقة ونقص هرمونات الغدة الكظرية ومرض أديسون وروماتويد المفاصل.
فيتامين (ب6 – 6B) بيريدوكسين  (Pyridoxine)	الكثير من الأغذية الحيوانية والنباتية كالخضار والفواكه واللحوم.	مهم لأيض الأحماض الأمينية وتحليل الغليكوجين لأنه يعمل كمساعد إنزيم للفوسفور يليز phosphorylase و بذلك يساعد على تحليل الغليكوجين في العضلات.	يسبب في كلاً من حالات النقص والزيادة اختلال أو التهاب في الأعصاب الطرفية peripheral neuropathy
فيتامين )ب7 – B7) أو فيتامينH    البيوتين  Biotin	ينتشر بشكل واسع في الطبيعة وتعد الخضروات والفاكهة والحليب أهم مصادره.	يعمل كمساعد إنزيم لإنزيمات الكربوكسيليز الأربعة المعتمدة على البيوتين.	يؤدي نقصه إلى تساقط الشعر وإصابات وتقرحات جلدية وضمور حليمات اللسان واضطرابات عصبية.
فيتامين ب9 – B9 أو(فيتامين ف- F ) أو حمض الفوليك   Folic Acid	يوجد في البيض والكلية والكبد ولحم البقر وفي الأوراق الخضراء.	ضروري لاستقلاب البروتين والدهون بشكل صحيح، وصيانة المنطقة الهضمية، الجلد، الشعر، النظام العصبي، العضلات، وأنسجة أخرى في الجسم. يساعد حامض الفوليك في إنتاج RNA وDNA، وهو ضروري في فترات النمو السريع مثل الحمل، المراهقة والطفولة.	يؤدي إلى خلل واضطراب في عمل الجهاز الهضمي للإنسان وانخفاض مقاومة الجسم لكثير من الأمراض وإلى ظهور فقر الدم واضطرابات عصبية مختلفة بدءاً من التهاب الأعصاب المحيطية وحتى الاضطرابات الدماغية، كما يمكن أن تظهر التهابات جلدية.
فيتامين ( ب12– 12 B) أو سيانوكوبالامين  Cyanocobalamine	المنتجات الحيوانية مثل الكبد واللحوم الحمراء والدواجن. ويخزن بكميات كبيرة في الكبد وبالتالي فنقص هذا الفيتامين ينتج عادةً عن الفشل في امتصاصه وليس لنقصه في الغذاء.	ضروري لتصنيع الحمض النووي (DNA). الفيتامين مهم لإنضاج الكرات الدموية الحمراء ولتصنيع غلاف الميالين للألياف العصبية.	الأنيميا الخبيثة (فقر الدم) وحموضة البول بالميثيل أمونيا وأنيميا خلايا الدم العملاقة.
فيتامين (ث- C)  أو حمض الأسكوربيك  (Ascorbic Acid)	المنتجات النباتية كالبقدونس والطماطم والبقلة والفليفلة الخضراء والمنتجات الحيوانية كالكبد والكلية والحمضيات،.	حمض الأسكوربيك عامل مختزل ولهذا فهو مطلوب لحفظ المعادن في الحالة المختزلة اللازمة لامتصاصها مثل الحديد والنحاس. وأثناء عملية تصنيع الكولاجين وأحماض المرارة. وهرمون الأدرينالين والهرمونات الاستيرويدية  ويعمل حمض الأسكوربيك كمضاد للأكسدة.	يؤدي إلى مرض الإسقربوط وهو مرتبط بالتكوين الناقص للكولاجين والوهن والضعف العام وانخفاض مقاومة الجسم تجاه الأمراض وخاصة الرشح والزكام والالتهابات التنفسية وظهور داء الحفر وهشاشة الأوعية الشعرية وفقر الدم والشحوب.

إعداد الدكتورة المهندسة أفاميه عيسى قوزي

السلام عليكم و رحمة الله وبركاته، ضيفنا اليوم هو عنصر شغل الناس، و كثر الحديث عنه في الصحف و المجلات وأخبار التلفاز، وازداد التساؤل عنه، فلهذا أحببنا أن نستضيفه ونسأله شخصيا عن صولاته و جولاته، رحبوا معي بالسيد يورانيوم.

تمام: أهلا بك سيد يورانيوم، هل من الممكن أن تقدم لنا بطاقتك التعريفية لو تكرمت؟

يورانيوم :وعليكم السلام ورحمة الله، أهلا عزيزي تمام، شكرا لهذا الترحيب الكريم. في البداية أنتم تعلمون بأن الأرض تحوي /92/ عنصرا طبيعيا ،ومع العناصر الغير طبيعية تصبح /114/، فأنا أعتبر أثقل هذه العناصر كما يعتبر الهيدروجين أخفها. أتواجد بشكل طبيعي على شكل ثلاث عناصر :

– يورانيوم U-238 يشكل نسبة 99.3% من اليورانيوم الطبيعي .

– يورانيوم U-235 يشكل نسبة0.7% من اليورانيوم الطبيعي.

– يورانيوم U-234يشكل نسبة قليلة جداً من اليورانيوم الطبيعي .

تمام: رائع جدا، أين تقيم في الكرة الأرضية وهل تشكل نسبة عالية فيها؟

يورانيوم :أقيم في العديد من الدول وعلى نسب مختلفة فمثلا أتواجد في الكونغو و النيجر، و تشيكوسلوفاكيا، وموريتانيا، كندا، استراليا، جنوب إفريقيا، الهند، اسبانيا، البرتغال، طبعا وتصل احتياطاتي في الوطن العربي إلى 1.5 مليون طن على شكل فلزات يورانيوم أولي ويمكن أن أتواجد حرا أو مع الفوسفات. أما عن نسبتي في القشرة الأرضية فتقدر بحوالي 0.0005 % من كل القشرة الأرضية ، تقريبا 65×10^12 طن.

تمام: سمعنا أن لك آثارا ضارة على الإنسان كباقي العناصر المشعة هل تحدثنا عن بعضها؟

يورانيوم :نعم بكل سرور، إنني كباقي الأشعة، وكما تعلمون بأن خطورة الأشعة بشكل عام تكمن بأنها تدخل إلى نواة الخلية وتدمرها وبالتحديد المادة الوراثية أو الحمض النووي (DNA) فعندها تصبح الخلية خاملة ولا يمكن أن تقوم بوظائفها كما يجب وتكون الخطورة أكبر على خلايا الدم الحمراء التي لا تحتوي نواة وبالتالي عند موتها فلا تستطيع أن تتجدد كما يمكن أن تصيب مراكز توليد الكريات الحمراء في النخاع أو في الطحال، أيضا تشكل خطورة على الخلايا العصبية كونها غير قادرة على الانقسام، أما عند إصابة الخلايا البيضاء فإنها تفقد الإنسان مناعته ويصبح أشبه بمريض الإيدز. 

تمام: كل ذلك! وهل هناك فرقا في التعرض للأشعة بين الرجل والمرأة؟

يورانيوم :طبعا فتأثير الإشعاع يختلف حسب الجنس، فالرجل يمكنه أن يتحمل كمية أكبر من الأشعة مقارنة بالمرأة، كما أن تأثير الإشعاع يرتبط بالعمر وبصحة المريض وتكون أكثر تأثيرا على الخلايا الجديدة وعلى المرأة في فترة المراهقة، وعلى بعض أجزاء الجسم أكثر من غيرها . 

تمام: هل من أعراض مرضية تظهر على الشخص المعرض لكمية عالية من الأشعة؟

يورانيوم :أكيد لا بد من ظهور أعراض وهي كالغثيان والقيء والنزيف الدموي، الإسهال، فقر الدم، فقدان الذاكرة، نقص الوزن، فقدان الشهية على الطعام، خوار القوى، ابيضاض الشعر، ضعف البصر، الشيخوخة المبكرة، ضعف القدرات الجنسية، احمرار الجلد …….الخ .

تمام: نسأل الله العفو والعافية، سيد يورانيوم يخلط الكثير من الناس بين مفهومي المخصب والمنضب (المستنفذ) فما هو الفرق بينهما؟

يورانيوم :في بداية الحوار تكلمت أن عائلتي تضم ثلاث نظائر، فالفعال منها هو اليورانيومu-235  الذي يشكل 0.7% فقط. فعندما تزداد هذه النسبة إلى 10% أو 15% أو حتى 50% يسمى باليورانيوم المخصب وذلك حتى يصلح لصنع قنبلة نووية، طبعا يتم رفع هذه النسبة عن طريق أجهزة الطارد المركزي أو غيرها، فالتخصيب لغاية 5% لا يصلح لصنع قنبلة نووية إنما يستخدم لأغراض سلمية أخرى .

أما المنضب (المستنفذ) فهو الذي نحصل عليه من النفايات النووية أي بعد الاستهلاك في المحطات النووية الكهربائية، أو من المستخدم في المفاعلات العسكرية، أي نفايات التخصيب هي التي تسمى بالمنضب (المستنفذ).

تمام: لقد عرفنا دور اليورانيوم المخصب، لكن ما هو دور المنضب وكيف نستفيد منه؟

يورانيوم :سؤال جميل، يمكن أن يستخدم في صنع القذائف لجعلها أكثر تدميرا وذلك لثقله، فهو أثقل من الرصاص ب 1.7 مرة، فحين تصطدم قذيفة حاوية على اليورانيوم المستنفذ بدبابة فإن درجة حرارتها ترتفع جدا مؤدية إلى تبخر المعدن وأكسدته وتنتشر على شكل غبار ضار جدا يمكن أن يستنشقه الإنسان ويصل الرئة محدثا ضررا ساما أو مشعا .

تمام: حدثنا قليلا عن النفايات النووية وأضرارها.

يورانيوم :بصراحة هذه هي المعضلة يا سيدي، وهي مشكلة المشاكل بالنسبة لي، إليك بعض النسب منها في بعض الدول:

-/70/ مليون طن سنوياً في أمريكا.

– /50/ مليون طن في الاتحاد السوفيتي السابق.

– /35/ مليون طن في أوربا.

إن النفايات النووية الصادرة عن المفاعلات خطيرة جدا ، فهي أكثر من 1300 نظير فمنها ما هو مشع و منها ما هو أقل إشعاعا ومنها ما هو عديم الإشعاع، إلا أن كل مادة تلامس أجزاء المفاعل أثناء عمله تصبح مشعة، حتى الماء، وهي مضرة بالإنسان والبيئة. طبعا تهدأ هذه النفايات عادة وتدفن في الأرض ضمن شروط صارمة، لأن مدة نشاطها تستمر إلى 1500سنة.

تمام: باعتبارك أعلم من غيرك ، هل من طرق للوقاية؟

يورانيوم :بالتأكيد هناك طرق للوقاية، وأفضلها على الإطلاق هو الإبتعاد عنها قدر المستطاع، وعدم التعرض لها، كما أن هناك حجاب واقي يمكن استخدامه لتقليل أثرها على الجسم، أيضا هناك بعض الأدوية التي تخفض الحرارة في الجسم وأدوية تحوي حموضا امينية لتشكيل البروتين الطبيعي في الجسم، كما يمكنك الاستفادة من الاحتياطات التالية:

1- لا تستعمل المنابع المشعة إذا كنت دون الـ 16 من العمر.

2-  لا تمسك المنبع مباشرة قط. استخدم دائما الملاقط.

 -3لا توجه المنبع قط نحو أي شخص بما فيهم أنت .

4- أعد دائما المنبع إلى الحاوية الرصاصية بعد الاستعمال.

5- احفظ المنابع في خزانة مأمونة وأغلقها بالمفتاح عندما لا تكون قيد الاستعمال.

6- حافظ دوما على أبعد مسافة ممكنة بينك  وبين والمنبع.

-7لا تفتح قط منبعا مشعا مختوما.

8-  بلغ فورا عن أي حوادث.

تمام: حسنا تكلمنا كثيرا عن السلبيات و المضار ، هل من فوائد؟

يورانيوم :هذا هو الجانب الخير في الأشعة والذي أتمنى أن يكون هو الهدف المرجو لكل شخص يعمل في هذا المجال حيث يستفيد قدر الإمكان في إنقاذ البشرية من أزماتها لا أن يقوم بهلاكها ودمارها …

فمثلا يمكنه الاستفادة مني في الطب النووي ومعالجة الأمراض، وفي مجالات الصناعة كافة، وفي توليد الطاقة الكهربائية كطاقة نظيفة، وفي تصنيع البطاريات النووية ، أيضا في أبحاث الفضاء وتغذية المركبات بالطاقة وفي تقدير الأعمار كساعة زمنية قديمة وأزلية، وفي وسائط النقل …… والكثير الكثير، فلا يكاد مجال يخلو من فوائدي . 

تمام: في الختام لا يسعني إلا أن أشكرك على تواجدك الكريم معنا وعلى إجاباتك الجميلة …والى اللقاء في الحلقة القادمة مع عنصر آخر ..