این وبلاگ تا 15 تیر به دلیل اینکه بنده امسال کنکور دارم آ‍‍‍‍بدیت نمشود.

با عرض معذرت...

هیدروژن چیست ؟

هیدروژن ساده ترین عنصر شناخته شده برای انسان است. هر اتم هیدروژن تنها یك پروتن و یك نوترون دارد . هیدروژن فراوانترین گاز هستی است . ستاره ها در ابتدا از هیدروژن ساخته شده بودند.

انرژی خورشید , از هیدروژن بدست می آید. هیدروژن توپ عظیمی از گازهای هیدروژن و هلیم است . درون خورشید اتمهای هیدروژن تركیب شده و اتمهای هلیم را پدید می آورد . این پدیده گدازه Pusiun انرژی پرتوی خورشید را تولید می كند.

انرژی پرتوی خورشید باعث برقراری حیات بر روی زمین است. این انرژی به ما نور می دهد, باعث رشد گیاهان می شود , بادها را به جریان می اندازد و باعث بارش باران می شود. این انرژی در سوختهای فسیلی ذخیره شده است . بیشتر انرژی مصرفی ما در حال حاضر از خورشید منشاء می گیرد.

هیدروزن گازی ( H2 ) در روی زمین وجود ندارد . این عنصر همیشه بصورت تركیبی است. بطور مثال تركیب با اكسیژن ( H2O - آب ) تركیب هیدروژن با كربن تركیبات شیمیایی متفاوتی مانند متان

( CH4 ) , زغال و نفت را بدست می دهد . همچنین هیدروژن در تراكم زیست و مواد عالی یافت می شود .

هیدروژن از نظر امروزی بیشترین محتوای انرژی هر سوخت را دارد, اما از نظر حجمی كمترین فشار عادی بصورت گاز وجود دارد.

هیدروژن می تواند انرژی را ذخیره كند

بیشتر انرژی كه ما امروزه مصرف می كنیم از سوختهای فسیلی بدست می آید. تنها 6 در صد منابع انرژی از منابع تجدید پذیر هستند, زیرا این انرژیها تمیزتر و قابل استفاده تر در طول یك زمان كوتاه هستند.

منابع انرژی تجدید پذیر مانند خورشید و باد نمی توانند همه وقت انرژی تولید كند. خورشید همیشه نمی تواند , باد همیشه نمی وزد, منابع تجدید پذیر در زمان و مكانی كه ما نیاز داریم انرژی تولید نمی كند .ما نمی توانیم منابع انرژی زیادی برای تولید هیدروژن استفاده كنیم هیدروژن می تواند انرژی را در زمان و مكانی كه ما نیاز داریم .

هر روز ما انرژی برقی بیشتری مصرف می كنیم برق منبع ثانویه انرژی است . منابع ثانویه انرژی كه گاهی به آنها ناقل های انرژی هم گفته می شود, انرژی را به مصرف كننده می رساند . از آنجا كه استفاده و انتقال برق برای ما آسانتر است ما انرژیها را به انرژی برق تبدیل می كنیم.

برق به ما نور, گرما , آب داغ . غذای سرد , تلویزیون و كامپیوتر می دهد. زندگی بسیار سخت می شد اگر ما مجبور بودیم ذغال بسوزانیم, اتم بشكافیم یا سدهای خود رابسازیم , انرژی زندگی را ساده تر كرده است .

هیدروژن یك ناقل انرژی برای آینده است . این عنصر سوخت تمیزی است كه می تواند در جاهایی كه ما به سختی از برق استفاده می كنیم , جایگزین آن شود. فرستادن برق در مسیرهایی طولانی4برابر بیشتر از حمل دریایی هیدروژن بصورت خطوط لوله ایی هزینه در بر دارد.

هیدروژن چطور ساخته می شود؟

از آنجا كه هیدروژن گازی در زمین وجود ندارد , ما باید آن را بسازیم . ما با جدا كردن هیدروژن از آب , تراكم زیست یا گاز طبیعی از منابع محلی هیدروژن می سازیم .

دانشمندان حتی كشف كرده اند كه بعضی جلبكها و باكتریها هیدروژن تولید می كنند. تولید هیدروژن در حال حاضر بسیار گران است . اما فنون جدیدی برای اینكار در حال توسعه است. هیدروژن می تواند برای خدمات رفاهی مركزی برزگ یا دستگاههای كوچك با كاربرد محلی تولید شود . هر منطقه ای از كشور یا دنیا منبعی دارد كه بتواند برای ساختن هیدروژن بكار گرفته شود . انعطاف پذیری هیدروژن یكی از امتیازات عمده آن است .

كاربردهای هیدروژن

9میلیون تن هیدروژن در ایالات متحده تولید شده است. امروزه این میزان برای 20 تا 30 میلیون ماشین یا 5تا8 میلیون خانه كافیست . اغلب این هیدروژن در صنعت بصورت پالایش . پرداخت فلزات و فراوری غذاها مصرف می شود .

NASA اولین كاربر هیدروژن بعنوان ناقل انرژی است كه هیدروژن را برای سالها در برنامه فضایی مورد استفاده قرار داد . سوخت هیدروژن موشك فضایی را به مدار می رساند.

باتری ها هیدروژن كه سلولهای سوختی هم نامیده می شوند به سیستمهای الكتریكی موشك نیرو می دهد . تنها محصول فرعی در چنین فرآیندهایی آب است كه خدمه موشك از آن برای نوشیدن استفاده می كند.

سلولهای سوختی هیدروژن یا باتریهای هیدروژنی برق تولید می كند . آنها بسیار كارا هستند , اما ساخت آنها گران است . سلولهای سوختی كوچك می توانند برق مناطق دور دست را تامین كند .

هیدروژن به عنوان سوخت

دستگاههای نیروی هیدروژنی برای مدتی ساخته نخواهند شد , زیرا هزینه زیادی به همراه دارد . هیدروژن ممكن است به زودی به گاز طبیعی اضافه شود, تا از آلودگی دستگاههای موجود بكاهد . هیدروژن بزودی به گازوئیل اضافه خواهد شد تا آلودگی را كاهش داده و كارایی را زیاد كند . اضافه كردن تنها 5 درصد هیدروژن به گازوئیل می تواند به میزان قابل توجهی اكسید نیتروژن كه در آلودگی لایه ازن بسیار موثر است را كاهش دهد .

موتوری كه هیدروژن خالص می سوزاند , تقریباً هیچ آلودگی ندارد. شاید حدود 10 تا 20 سال به استفاده از اتومبیل شخصی مصرف كننده هیدروژن باقی مانده است .

آینده هیدروژن

قبل از اینكه هیدروژن به عنوان یك سوخت مهم شناخته شود , سیستمهای جدید زیادی باید ساخته شود . ما به سیستمهایی نیاز خواهیم داشت

كه هیدروژن بسازند, ذخیره كنتور انتقال دهند . ما به خطوط لوله و سلول سوختی اقتصادی نیاز خواهیم داشت مصرف كنندگان به تكنولوژی و آموزش استفاده از آن نیاز خواهند داشت .

منبع: پایگاه داده های ملی علوم زمین كشور

فیزیک هسته ای

در جهان همه چیز از اتم ساخته شده است. اتمهای مختلف در کنار هم قرار می گیرند و مولکولهای مختلف را تشکیل می دهند. هر اتمی که در طبیعت پیدا می شود، یکی از ۹۲ نوع اتمی است که به نام عناصر طبیعی شناخته شده اند؛ پس هر چه روی زمین وجود دارد، از فلز، پلاستیک،لباس، شیشه گرفته تا مو و غیره، همه ترکیباتی از ۹۲ عنصر طبیعی هستند. جدول تناوبی عناصر، فهرست عناصری است که می توان در طبیعت پیدا کرد به اضافه عناصری که به دست بشر ساخته شده است.

درون هر اتم می توان سه ذره ریز پیدا کرد:

۱) پروتون،

۲) نوترون

۳) الکترون.

پروتونها در کنار هم قرار می گیرند و هسته اتم را تشکیل می دهند، در حالی که الکترونها به دور هسته می چرخند. پروتون بار الکتریکی مثبت و الکترون بار الکتریکی منفی دارد و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می کنند، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترونها در حرکت به دور هسته می گردد. در اغلب حالت ها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است، بنابراین اتم درحالت عادی و طبیعی خنثی است.

نوترون، بار خنثی دارد و وظیفه اش در هسته، کنار هم نگاه داشتن پروتونهای هم بار است.می دانیم که ذرات با بار یکسان یکدیگر را دفع می کنند .در نتیجه وظیفه نوترونها این است که با فراهم آوردن شرایط بهتر، پروتونها را کنار هم نگاه دارند. ( این کار توسط نیروی هسته ای قوی صورت می گیرد)

تعداد پروتونهای هسته نوع اتم را مشخص می کند. برای مثال اگر ۱۳ پروتون و ۱۴ نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و ۱۳ الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم خواهید داشت و اگر یک میلیون میلیارد میلیارد اتم آلومینیوم را در کنار هم قرار دهید، آنگاه نزدیک به پنجاه گرم آلومینیوم خواهید داشت! همه آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می شوند، AL۲۷ یا آلومینیوم ۲۷ نامیده می شوند. عدد ۲۷ نشان دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می دهد.

اگر یک اتم آلومینیوم را درون یک بطری قرار دهید و میلیونها سال بعد برگردید، باز هم همان اتم آلومینیوم را خواهید یافت. بنابراین آلومینیوم ۲۷ یک اتم پایدار نامیده می شود.

بسیاری از اتمها در شکل های مختلفی وجود دارند. مثلاً مس دو شکل دارد: مس ۶۳ که ۷۰ درصد کل مس موجود در طبیعت است و مس ۶۵ که ۳۰ درصد بقیه را تشکیل می دهد. شکل های مختلف اتم، ایزوتوپ نامیده می شوند. هر دو اتم مس ۶۳ و مس ۶۵ دارای ۲۹ پروتون هستند، ولی مس ۶۳ دارای ۳۴ نوترون و مس ۶۵ دارای ۳۶ نوترون است. هر دو ایزوتوپ خصوصیات یکسانی دارند و هر دو هم پایدارند.

● اتمهای ناپایدار

تا اوایل قرن بیستم، تصور می شد تمامی اتم ها پایدار هستند، اما با کشف خاصیت پرتوزایی اورانیوم توسط بکرل مشخص شد برخی عناصر خاص دارای ایزوتوپ های رادیواکتیو هستند و برخی دیگر، تمام ایزوتوپ هایشان رادیواکتیو است. رادیواکتیو بدان معنی است که هسته اتم از خود تشعشع ساطع می کند.

هیدورژن مثال خوبی از عنصری است که ایزوتوپ های متعددی دارد و فقط یکی از آنها رادیو اکتیو است. هیدروژن طبیعی ( همان هیدروژنی که ما می شناسیم) در هسته خود دارای یک پروتون است و هیچ نوترونی ندارد. ( البته چون فقط یک پروتون درهسته وجود دارد نیازی به نوترون نیست ) ایزوتوپ دیگر هیدروژن، هیدروژن ۲ یا دو تریوم است که یک پروتون و یک نوترون در هسته خود جای داده است. دوتریوم، فقط ۰۱۵/۰ درصد کل هیدروژن را تشکیل می دهد و در طبیعت بسیار کمیاب است، با این حال مانند هیدورژن طبیعی رفتار می کند. البته از یک جهت با آن تفاوت دارد و آن، سمی بودن دوتریوم در غلظت های بالاست. دوتریوم هم ایزوتوپ پایداری است، ولی ایزوتوپ بعدی که تریتیوم خوانده می شود، ناپایدار است. تریتیوم که هیدروژن ۳ نیز خوانده می شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم ۳ تبدیل می شود. این بدان معنی است که اگر ظرفی پر از تریتیوم داشته باشید و آن را بگذارید و یک میلیون سال بعد برگردید، ظرف شما پر از هلیوم ۳ است. هلیوم ۳ از ۲ پروتون و یک نوترون ساخته شده وعنصری پایدار است ).

در برخی عناصر مشخص، به طور طبیعی همه ایزوتوپ ها رادیواکتیو هستند. اورانیوم بهترین مثال برای چنین عناصری است که علاوه بر رادیواکتیویته زیاد سنگین ترین عنصر رادیواکتیو هم هست که به طور طبیعی یافت می شود. علاوه بر آن، هشت عنصر رادیواکتیو طبیعی هم وجود دارند که عبارتند از پولوتونیوم، استاتین، رادون، فرانسیم، رادیوم، اکتینیوم، توریم و پروتاکتسینانیوم. عناصر سنگین تر از اورانیوم که به دست بشر در آزمایشگاه ساخته شده اند، همگی رادیواکتیو هستند.

● واپاشی رادیو اکتیو

وحشت نکنید بر خلاف اسمش این فرایند بسیار ساده است! اتم یک ایزوتوپ رادیواکتیو طی یک واکنش خودبخودی به یک عنصر دیگر تبدیل می شود. این واپاشی معمولاً از سه راه زیر انجام می شود:

۱) واپاشی آلفا

۲) واپاشی بتا

۳) شکافت خودبه خودی

توضیح تفاوت این سه راه کمی مشکل است اما بدون اینکه بدانید این سه راه چه فرقی با هم می کنند هم می توانید از ادامه مطلب سر در آورید!! اگر خیلی هم علاقمندید بدانید اینجا را کلیک کنید.

در این فرآیندها چهار نوع تابش رادیواکتیو مختلف تولید می شود:

۱) پرتو آلفا

۲) پرتو بتا

۳) پرتو گاما

۴) پرتوهای نوترون

● تابش های طبیعی خطرناک

درست است که واپاشی رادیواکتیو، یک فرآیند طبیعی است و عناصر رادیواکتیو هم بخشی از طبیعت هستند، ولی این تابش های رادیواکتیو برای موجودات زنده زیان بار هستند. ذرات پر انرژی آلفا، بتا، نوترونها، پرتوهای گاما و پرتوهای کیهانی، همگی به تابش های یون ساز معروفند، بدین معنی که بر همکنش آنها با اتم ها منجر به جداسازی الکترون ها از لایه ظرفیتشان می شود. از دست دادن الکترونها، مشکلات زیادی از جمله مرگ سلول ها و جهش های ژنتیکی را برای موجودات زنده به دنبال دارد. جالب است بدانید جهش ژنتیکی عامل بروز سرطان است.

درات آلفا، اندازه بزرگتری دارند و از این رو توانایی نفوذ زیادی در مواد ندارند، مثلاً حتی نمی توانند از یک ورق کاغذ عبور کنند. از این رو تا زمانی که در خارج بدن هستند تأثیری روی افراد ندارند. ولی اگر مواد غذایی آلوده به مواد تابنده ذرات آلفا بخورید، این ذرات می توانند آسیب مختصری درون بدن ایجاد کنند.

ذرات بتا توانایی نفوذ بیشتری دارند که البته آن هم خیلی زیاد نیست، ولی در صورت خورده شدن خطر بسیار بیشتری دارند. ذرات بتا را می توان با یک ورقه فویل آلومینویم یا پلکسی گلاس متوقف کرد.

پرتوهای گاما همانند اشعه X فقط با لایه های ضخیم سربی متوقف می شوند. نوترونها هم به دلیلی بی یار بودن، قدرت نفوذ بسیار بالایی دارند و فقط با لایه های بسیار ضخیم بتن یا مایعاتی چون آب و نفت متوقف می شوند. پرتوهای گاما و پرتوهای نوترون به دلیل همین قدرت نفوذ بالا می توانند اثرات بسیار وخیمی بر سلول های موجودات زنده بگذارند، تأثیراتی که گاه تا چند نسل ادامه خواهد داشت.

فیزیک پلاسما چیست ؟

واژه پلاسما به گاز یونیزه شدهای اطلاق میشود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته میشود.

● فیزیک پلاسما (Plasma Physics)

می دانیم که برای ماده سه حالت جامد ، مایع و گاز در نظر گرفته میشود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یک نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین خورشید نمونهای از پلاسمای داغ بزرگ است.

● تعریف پلاسما

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه میدهد. به عبارت دیگر میتوان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیزه شدهای اطلاق میشود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته میشود.

● حدود پلاسما

اغلب گفته میشود که ۹۹% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتمهایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتیکه جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.

در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق ، تابش ملایم شفق قطبی ، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیزاسیون. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده میشود. بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود.

● آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟

کلمه پلاسما ظاهرابه نظر می رسد. این کلمه از یک لغت یونانی آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است.

● حفاظ دبای

یکی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانیسیلهای الکتریکی است که به آن اعمال میشوند. فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شدهاند یک میدان الکتریکی در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلوله ها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میکنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند.

اگر پلاسما سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ کامل میشود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند.

● معیارهای پلاسما

طول موج دبای (لاندای دی) باید خیلی کوچکتر از ابعاد پلاسما ( L ) باشد.

تعداد ذرات موجود در یک کره دبای (ND ) باید خیلی بزرگتر باشد.

حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما ( W ) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی ( t ) باید بزرگتر از یک باشد.

کاربردهای فیزیک پلاسما

تخلیه های گازی :

قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال ۱۹۲۰ میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لوله های خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد.

همجوشی گرما هستهای کنترل شده:

فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز میشود.

فیزیک فضا:

کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده میشود، به مگنتوسفر زمین برخورد میکند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند.

تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ( MHD ) و پیشرانش یونی:

دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیشرانده میشود، میباشد.

پلاسمای حالت جامد :

الکترونهای آزاد و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشکیل میدهند که همان نوع نوسانات و ناپایداریهای یک پلاسمای گازی را عرضه می دارد.

لیزرهای گازی:

عادیترین پمپاژ ( تلمبه کردن ) یک لیزر گازی ، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به تقویت نور میشود، استفاده از تخلیه گازی است.

شایان ذکر است که کاربردهای دیگری مانند چاقوی پلاسما ، تلویزیون پلاسما ، تفنگ الکترونی ، لامپ پلاسما و غیره نیز وجود دارد که در اینجا فقط کاربردهای پلاسما در حالت کلی بیان شده است