قانون اول نیوتن «قانون اینرسی، لختی یا ماند» نیز نامیده می‌شود. علت این نام‌گذاری در تمایل اجسام برای حفظ وضعیت حرکتی خودشان است. همان‌طور که گفتیم مادامی که به جسمی نیرویی وارد نشود، تمایلی برای تغییر وضعیت حرکت خود ندارد. یعنی اگر ساکن است، ساکن می‌ماند و اگر در حال حرکت با سرعت ثابت است، به حرکت خود با سرعت ثابت ادامه می‌دهد. اما در صورتی که مجموع نیروهای وارد بر یک جسم مخالف صفر شود، حرکت جسم از حالت یکنواخت خارج می‌شود. در این شرایط چون سرعت جسم تغییر می‌کند، شتاب داریم:

$$sum vec{F} = m vec{a}$$

• نیروی $$F$$ بر حسب نیوتن ($$N$$)
• جرم $$m$$ بر حسب کیلوگرم ($$kg$$)
• شتاب $$a$$ بر حسب متر بر مجذور ثانیه ($$frac{m}{s^2}$$

نیروی برآیند مخالف صفر شرایطی است که در قانون دوم نیوتن بررسی می‌شود. طبق این قانون وارد شدن نیرو به جسم موجب تغییر سرعت آن و در نتیجه شتابدار شدن حرکت خواهد شد. اندازه این شتاب با جرم جسم متناسب است. در نهایت سومین قانون نیوتن که «قانون عمل و عکس‌العمل» یا «کنش و واکنش» هم نامیده می‌شود، قانونی است که به بررسی نیروهای متقابل دو جسم بر هم می‌پردازد. در قانون اول و دوم نیوتن فقط نیروهای وارد بر یک جسم بررسی می‌شود، اما در این قانون دو جسم یا دو ذره را مدنظر داریم و می‌خواهیم ببینیم این دو چه نیروهایی به هم وارد می‌کنند. طبق قانون سوم اگر جسم اول به جسم دوم نیرویی به‌صورت $$vec{ F_{12} }$$

$$vec{ F_{12} } = -vec{ F_{21} }$$

$$|vec{ F_{12} }| = |vec{ F_{21} }|$$

بنابراین نتیجه قانون سوم نیوتن این است که نیروهای عمل و عکس‌العمل همواره مساوی و در خلاف جهت هم هستند. به این ترتیب تا ایناج آموختیم قوانین پایه کلاسیکی در فیزیک چیست.

قوانین پایستگی

در بخش قبل یاد گرفتیم قوانین نیوتن در فیزیک چیست و در چه شرایطی می‌توانیم برای تعیین وضعیت حرکت جسم از آن‌ها استفاده کنیم. تحلیل قوانین نیوتن به ما کمک می‌کنند تا بتوانیم حرکت بعدی جسم را تعیین کنیم. نکته جالب توجه دیگری که در مورد قوانین حرکت کلاسیکی وجود دارد، تقارن و ناوردایی (تغییرناپذیری) این قوانین طی فرآیندهایی مانند انعکاس و چرخش در فضا، معکوس کردن زمان و یا انتقال به بخش دیگری از فضا است. این پدیده‌ها در مکانیک نسبیتی نیز برقراراند که موضوع نظریه نسبیت خاص انیشتین است و در بخش‌های بعد به آن خواهیم پرداخت.

اصولا برای نمایش خواص متقارن یک نظریه، می‌توان از قوانینی به نام قوانین پایستگی استفاده کرد. هر قانون پایستگی نشان دهنده ثابت بودن مقادیر یک کمیت فیزیکی معین در گذر زمان است. معمولا کمیت‌های فیزیکی پایسته در فیزیک از اهمیت بالایی برخورداراند، برای مثال جرم و انرژی که در نظریه نسبیت معادل هم در نظر گرفته می‌شوند و با تبدیل به یکدیگر از بین نرفته و پایسته می‌مانند. در بخش‌های بعد خواهیم دید که بار الکتریکی یک کمیت فیزیکی دیگر است که پایسته است. همچنین دو کمیت‌ فیزیکی پایسته در حوزه فیزیک مکانیک، تکانه و تکانه زاویه‌ای هستند که دو قانون پایستگی مهم به نام قانون پایستگی تکانه و قانون پایستگی تکانه زاویه‌ای را به همراه دارند.

گرانش

در این بخش از این نوشته یاد می‌گیریم مفهوم گرانش در فیزیک چیست. بنا به دلایل تاریخی، مرسوم این بود که این مبحث نیز جزء فیزیک مکانیک در نظر گرفته شود، اما به جهت گستردگی و اهمیت آن، بخش جداگانه‌ای را به گرانش اختصاص داده‌ایم. یکی از مهم‌ترین قوانین کلاسیکی فیزیک در طبیعت، «قانون جهانی گرانش» است که بیان می‌کند هر ذره مادی در جهان ذره دیگری را توسط نیرویی به نام نیروی گرانش جذب می‌کند. راستای نیرو‌ی گرانش همواره در راستای خط مستقیمی است که دو ذره را به هم وصل کرده است. اندازه چنین نیرویی با حاصل‌ضرب جرم دو ذره نسبت مستقیم و با فاصله آن‌ها از هم رابطه عکس دارد.

بنابراین فرمول قانون جهانی گرانش به‌صورت زیر است:

$$F_g = G frac{m_1m_2}{d^2}$$

$$G = 6.67 times 10 ^{-11} frac{ N. m^2}{{kg}^2}$$

• نیروی گرانشی $$F_g$$
• جرم‌‌‌های $$m_1 ,m_2$$
• فاصله $$d$$ بر حسب متر ($$m$$)
• ثابت جهانی گرانش $$G$$ بر حسب $$frac{ N. m^2}{{kg}^2}$$

دقت کنید این فرمول فقط اندازه نیروهای جاذبه گرانشی که دو ذره یا یا دو جسم به هم وارد می‌کنند را به‌دست می‌دهد. جهت هر دو نیرویی که دو ذره به هم وارد می‌کنند، همواره در خلاف جهت هم است، چون این نیروها از نوع جاذبه هستند. همان‌طور که در ابتدای مطلب گفتیم، نیروی گرانش یکی از چهار نیروی بنیادی در طبیعت است. با اینکه قانون جهانی گرانش توسط آیزاک نیوتن و با بهره‌گیری از مفاهیم فیزیک کلاسیک فرمول‌بندی و تعیین شد، اما در حال حاضر مطالعه گرانش بر مبنای نظریات مدرن انجام می‌شود.

گرانش مدرن که توسط آلبرت انیشتین بازنگری و فرمول‌بندی شده است، «نظریه نسبیت عام» نام دارد. انیشتین با استفاده از مفهوم جرم در قانون دوم نیوتن و بررسی قانون جهانی گرانش به این نتیجه رسید که با توجه به شتاب موضعی، ممکن است در برخی مناطق نیروی گرانش نداشته باشیم. مثال بارز این موقعیت بی‌وزنی فضانوردانی است که از مدار زمین خارج شده‌اند. نظریه نسبت عام به شکل‌گیری مفهوم فضا – زمان منحنی شکل یا خمیده منجر شد. این نظریه به جهت ریاضیات زیبا و پیش‌بینی دقیق برخی پدیده‌ها مانند خمیدگی نور حول یک جسم خیلی سنگین، برای سال‌های زیادی معتبر و ارزشمند بوده است.

گرما و ترمودینامیک

مطالعه ترمودینامیک در فیزیک با درک مفهوم گرما و دما و تفاوت آن‌ها آغاز می‌شود. گرما یا حرارت نوعی انرژی درونی (انرژی داخلی) است که در اثر حرکت تصادفی مولکول‌های تشکیل دهنده یک ماده و یا توسط تابش به آن ماده به وجود می‌آید. این در حالی است که دما به معنای متوسط یا میانگین یک بخش از انرژی درونی یک جسم است. بنابراین دما انرژی پیوندهای مولکولی یا چرخش مولکولی را شامل نمی‌شود.

قوانین ترمودینامیک

همان‌طور که اشاره کردیم، یکی از مباحثی که به ما کمک می‌کند تا بهتر متوجه شویم فیزیک چیست و چگونه به مطالعه حالت و انرژی درونی مواد می‌پردازد، یادگیری قوانین ترمودینامیک است. این چهار قانون عبارت‌اند:

• قانون صفرم ترمودینامیک
• قانون اول ترمودینامیک
• قانون دوم ترمودینامیک
• قانون سوم ترمودینامیک

مکانیک آماری

پس از اینکه یاد گرفتیم مفهوم گرما و قوانین ترمودینامیک در فیزیک چیست، مقدمات لازم برای یادگیری بخش دیگری از فیزیک به نام «مکانیک آماری» (Statistical Mechanics) برای ما فراهم شده است. در مکانیک آماری به استخراج خواص حجمی (Bulk Properties) سیستم‌های ترمودینامیکی با توجه به خواص مکانیکی مولکول‌های سازنده آن‌ها پرداخته می‌شود. در این فرآیند آشوب‌های مولکولی مطالعه شده و قوانین احتمال نیز اعمال می‌شوند. با در نظر گرفتن هر پیکربندی ممکن از ذرات، احتمال وقوع یک وضعیت آشفته از وضعیت منظم بیشتر است، همان‌طور که در قانون دوم ترمودینامیک بیان شده است.

این نوع استدلال کردن که از نظر ریاضیاتی در فرم دقیقی قرار می‌گیرد، نوعی مکانیک آماری است که قابلیت به‌دست آوردن قوانین ترمودینامیک را نیز فراهم می‌کند. اما در مقایسه با ترمودینامیک، مکانیک آماری می‌تواند به ما بیشتر کمک کند. برای مثال، در توصیف افت و خیز‌های بخش‌‌های مختلف یک سیستم در حالی که ترمودینامیک فقط رفتار میانگین این سیستم را تعیین می‌کند. یک نمونه از پدیده افت و خیز، حرکت تصادفی ذرات کوچک معلق در یک سیال است که حرکت براونی نامیده می‌شود.

مکانیک آماری در سطوح پیشرفته‌تر خود به‌جای مکانیک کلاسیکی، از قوانین مکانیک کوانتومی استفاده می‌کند. به همین دلیل در این سطح مکانیک آماری، مکانیک آماری کوانتومی نامیده می‌شود. از کاربردهای مکانیک آماری کوانتومی می‌توان به فیزیک پلاسما (مطالعه گازهای کاملا یونیزه شده) و بررسی ساختار ستاره‌ای اشاره کرد. از دید میکروسکوپی، قوانین ترمودینامیکی بیان می‌کنند در حالی که از نظر کمیتی و عددی انرژی کل هر سیستم ایزوله شده ثابت است، آن چیزی که می‌توان به عنوان کیفیت این انرژی در نظر گرفت، طی حرکات غیرقابل‌اجتناب سیستم افت می‌کند. در نتیجه حالت‌هایی با بی نظمی زیاد در سیستم ایجاد می‌شود تا زمانی که به بیشترین میزان بی‌نظمی خود یا ماکزیمم آنتروپی برسد. در این شرایط تمام بخش‌‌های سیستم در دمای یکسانی قرار دارند. اگر بخواهیم این توضیحات را در مورد جهان به عنوان یک کلیت ایزوله شده بکار ببریم، این وضعیت نابسامان نهایی «مرگ گرما» نامیده می‌شود.

الکتریسیته و مغناطیس

الکتریسیته و مغناطیس تا قرن نوزدهم به‌عنوان دو مبحث جدا از هم فرض می‌شدند. اما مطالعات نشان داد الکتریسیته و مغناطیس هر دو مولفه‌های پدیده واحدی به نام الکترومغناطیس هستند. در این بخش توضیح می‌دهیم معنای الکتریسیته، مغناطیس و الکترومغناطیس در فیزیک چیست. ابتدا با الکتریسیته شروع می‌کنیم که پایه و اساس آن، کمیت فیزیکی به نام بار الکتریکی است و می‌خواهیم ببینیم ویژگی‌های آن در علم فیزیک چیست.

الکتریسیته

بار الکتریکی یک خاصیت ذاتی از ماده است که بر اساس تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها موجود در اتم‌های سازنده هر ماده تعیین می‌شود. در حقیقت بار الکتریکی هر جسم یا ماده‌ای توسط ذرات بنیادی آن ماده یعنی الکترون‌ها و پروتون‌ها که ذراتی با باز منفی و مثبت هستند، حمل می‌شود. اگر تعداد الکترون‌های اتم‌ها در ماده‌ای نسبت به تعداد پروتون‌های آن بیشتر باشد، می‌گوییم ماده دارای بار منفی است. در صورتی که بارهای مثبت و منفی ماده‌ای با هم برابر باشد، ماده بدون بار یا از نظر الکتریکی خنثی است. برای محاسبه بار الکتریکی می‌توانیم از فرمول زیر استفاده کنیم که نشان می‌دهد بار الکتریکی یک کمیت گسسته است نه پیوسته:

$$q = pm ne$$

• بار الکتریکی $$q$$ بر حسب کولن ($$C$$)
• بار پایه $$e$$ بر حسب کولن ($$C$$)
• عدد طبیعی $$n$$

دقت کنید در رابطه بالا $$e$$ بار پایه یا بار واحد و معادل با اندازه بار یک الکترون یا یک پروتون است:

$$e = 1.6 times 10^{-19} C$$

همچنین بسته به اینکه تعداد الکترون‌ها و پروتون‌های ماده به چه صورت باشند، علامت نهایی بار الکتریکی یکی از دو علامت مثبت یا منفی خواهد بود.

ویژگی مهم دیگر در مورد بار الکتریکی این است که نه از بین می‌رود و نه خود به خود ایجاد می‌شود این تعریف همان قانون پایستگی بار الکتریکی است که در بخش‌‌‌‌های قبل به آن اشاره شد. وجود بار الکتریکی در ماده موجب می‌شود که آن ماده به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی پاسخ دهد. اگر ذره‌ای دارای بار الکتریکی و در حالت سکون باشد، مسئله ما الکتریسیته ساکن است و چنین ذره‌ای فقط با میدان‌های الکتریکی برهم‌‌کنش دارد. اما اگر ذره‌ بارداری در حالت حرکت باشد، دیگر الکتریسیته ساکن نداریم. در اینجا الکتریسیته از نوع جاری است و چنین ذره‌ای علاوه بر میدان‌‌های الکتریکی به میدان‌های مغناطیسی هم پاسخ می‌دهد. دقیقا در این نقطه است که الکتریسیته و مغناطیس با هم ترکیب شده و الکترومغناطیس را ایجاد می‌کنند.

در الکتریسیته ساکن با استفاده از فرمولی به نام قانون کولن این امکان وجود دارد تا بتوانیم نیروهایی که دو ذره ساکن در فاصله مشخصی از هم به یکدیگر وارد می‌کنند را محاسبه کنیم. این نیروها نیروهای الکتریکی نامیده می‌شوند و در گروه نیروهای عمل و عکس‌العمل قرار می‌گیرند. فرمول‌بندی قانون کولن برای دو ذره یا جسم باردار با بارهای $$q_1$$

$$F_e = k frac{q_1q_2}{r^2}$$

• نیروی الکتریکی $$F_e$$
• بار‌های $$q_1 ,‌q_2$$
• فاصله $$r$$ بر حسب متر ($$m$$)
• ثابت کولن $$k$$ بر حسب $$frac{Nm^2}{C^2}$$

به شباهت این قانون و قانون جهانی گرانش دقت کنید. در اینجا هم ثابتی به نام ثابت کولن داریم که مقدار آن از طریق آزمایش و به‌صورت تقریبی برابر است با:

$$k = 9 times 10^{9} frac{Nm^2}{C^2}$$

پس از مطالعه نیروهای الکتریکی با استفاده از قانون کولن، به تعریف میدان الکتریکی می‌رسیم. برای اینکه ببینیم تعریف و فرمول میدان الکتریکی در فیزیک چیست، بهتر است یک بار نقطه‌ای به شکل $$q_0$$

$$E = frac{F_e}{q_0} = k frac{q}{r^2}$$

میدان الکتریکی $$E$$ یک کمیت برداری است و جهت آن دقیقا در راستای جهت نیروی الکتریکی متناظر با آن است. همچنین واحد استاندارد میدان الکتریکی با توجه به فرمول بالا برابر است با نیوتن بر کولن یا $$frac{N}{C}$$

مفهوم میدان نقش مهمی را در فرمول‌بندی الکترومغناطیس ایفا می‌کند. البته باید بدانیم میدان‌ها فقط از نوع الکتریکی و مغناطیسی نیستند. برای مثال، میدان گرانشی انیشتین که جایگزین مفهوم گرانش نیوتنی شد. عملکرد میدان الکتریکی به این صورت است که هر ذره در اطراف خود خاصیتی به نام میدان ایجاد می‌کند، به گونه‌ای که هز ذره باردار دیگری که در این فضا قرار بگیرد، از طریق نیروی الکتریکی می‌تواند این میدان را حس کند.

مغناطیس

در شروع مبحث مغناطیس، بد نیست آن را با الکتریسیته مقایسه کنیم. برخلاف الکتریسیته که منشا آن ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها هستند، در مغناطیس هیچ گونه تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد که بتوانیم آن را همتای بار الکتریکی پایه فرض کنیم. در مغناطیس قوانین مهمی مانند «قانون القای فارادی» و «قانون آمپر» را داریم که با استفاده از آن‌ها می‌توانیم میدان مغناطیسی را تعیین کنیم.

الکترومغناطیس

الکترومغناطیس کلاسیکی بر مبنای برهم‌کنش میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با ذرات بادار یا مواد مغناطیسی شده و با در نظر گرفتن چهار معادله مهم به نام معادلات ماکسول فرمول‌بندی و توسعه پیدا کرد. این معادلات به‌خوبی توصیف می‌کنند که ذرات باردار و جریان‌های الکتریکی چگونه می‌توانند میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را تولید کنند. همچنین در یکی از این معادلات این نکته بیان می‌شود که چکونه تغییرات میدان الکتریکی می‌تواند باعث ایجاد میدان مغناطیسی شود و برعکس.

با توجه به این معادلات، ماکسول توانست وجود امواج الکترومغناطیسی را نشان دهد. این امواج که از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم تشکیل شده‌اند، با سرعتی برابر با سرعت نور حرکت می‌کنند و دارای ویژگی‌های مهمی مانند انرژی، اندازه حرکت خطی و زاویه‌ای هستند. نوری که چشم انسان به آن حساس است، تنها بخش خیلی کوچکی از طیف الکترومغناطیس محسوب می‌شود. این طیف از امواجی با طول‌موج بلند مانند امواج رادیویی شروع می‌شود و تا امواجی با طول‌موج کوتاه مانند اشعه گاما، اشعه ایکس و ریزموج‌ها ادامه دارد.

فیزیک مدرن و مکانیک کوانتومی

با اینکه اغلب شاخه‌ها یا گرایش‌های فیزیک در روش‌های آزمایشگاهی، نوع کمیت‌های مطرح شده و دیدگاه‌های نظری خود متفاوت‌اند، اما اصول حاکم برای استخراج فرمول‌‌ها و روابط در تمام این مباحث تقریبا یکسان است. در حال حاضر مطالعه بیشتر موضوعات فیزیک با رویکرد میکروسکوپیکی انجام می‌شود که نتیجه آن استفاده از فیزیک مدرن و «مکانیک کوانتومی» (Quantum Mechanics) (و یا در مباحث پیشرفته‌تر، نظریه کوانتومی میدان و …) به‌جای مکانیک کلاسیکی است. در این بخش یاد می‌گیریم اصول مکانیک کوانتومی در فیزیک چیست.

مبنای نامگذاری فیزیک کوانتوم از این واقعیت ناشی شده است که بیشتر کمیت‌هایی که در فیزیک کلاسیک پیوسته محسوب می‌شوند، در مکانیک کوانتومی شکل گسسته یا کوانتومی دارند. به‌علاوه، برخی ویژگی‌های ذاتی این کمیت‌ها که در مکانیک کلاسیک یک قطعیت محسوب می‌شدند، در کوانتوم با پدیده‌ای به نام «عدم‌قطعیت» (Uncertainty) معرفی می‌شوند. برای مثال، طبق نظریه مکانیک کوانتومی تابش الکترومغناطیس همیشه شامل امواج پیوسته‌ای نیست، بلکه در شرایطی می‌توان آن را مجموعه‌ای از فوتون‌های گسسته یا ذره‌ای‌‌شکل در نظر گرفت که انرژی و اندازه حرکت هر کدام مستقیما با فرکانس آن فوتون متناسب است. اگر دقت کنید در این دیدگاه همزمان با در نظر گرفتن ماهیت موجی فوتون، ویژگی ذره‌ای بودن هم به آن نسبت داده شده است.

به همین ترتیب بکارگیری دیدگاه کوانتومی دوگانگی موج و ذره به ما اجازه می‌دهد تا برای الکترون طول‌موجی به نام «طول‌موج دوبروی» (De Broglie Wavelength) تعریف کنیم که با اندازه حرکت الکترون رابطه عکس دارد. آزمایش‌هایی مانند پراش الکترون و دو شکافی یانگ ماهیت موجی الکترون را تایید کردند. این در حالی است که در مکانیک کوانتومی پدیده‌هایی مانند اثر فوتوالکتریک، پراکندگی کامپتون و کاربرد میکروسکوپ‌های الکترونی نشان دهنده ماهیت ذره‌ای الکترون هستند. اگر بخواهیم درک کامل و دقیق‌تری از الکترون‌ها و فوتون‌ها، برهم‌کنش‌های بین آن‌ها و در نتیجه مکانیک کوانتومی به‌دست آوریم، لازم است خواص موجی و ذره‌ای را برای هر دو مطالعه و بررسی کنیم.

همچنین در بررسی و مطالعه دیدگاه موجی – ذره‌ای در کوانتوم، ثابت مهمی به نام «ثابت پلانک» با مقدار زیر وجود دارد که امضای دیدگاه کوانتومی در فرمول‌بندی‌‌های ارائه شده محسوب می‌شود:

$$h = 6.62 times 10 ^{-34 } J.s$$

این ثابت خیلی کوچک حد نهایی عدم‌قطعیت در تعیین مکان و اندازه حرکت الکترون را در قالب «اصل عدم‌قطعیت هایزنبرگ» و به شکل زیر تعیین می‌کند:

$$triangle x triangle p geq frac{h}{4pi}$$

در مکانیک کوانتومی این امکان برای ما وجود دارد که حرکت الکترون‌ها حول هسته یک اتم را با در نظر گرفتن ماهیت موج‌گونه آن‌ها و توسط امواجی به نام امواج ایستاده توصیف کنیم که پاسخ‌های معادله بنیادین مکانیک کوانتومی یعنی «معادله شرودینگر» (Schrödinger Equation) هستند. در ادامه یکی دیگر از نتایج مکانیک کوانتومی که کاربرد بسیار مهمی در پیشرفت تکنولوژی و توسعه مواد موردنیاز آن داشته است را توضیح می‌دهیم تا بهتر متوجه شوید مفاهیم مکانیک کوانتومی در فیزیک چیست.

الکترون‌ها در یک اتم می‌توانند با جذب انرژی در قالب فوتون به حالتی با انرژی بالاتر رفته و موجب برانگیختگی اتم شوند. اتم برانگیخته ناپایدار است و می‌تواند با گسیل فوتون مجددا به حالت پایه خود بازگردد. اما این گذار الکترون از حالتی با انرژی کمتر به حالتی با انرژی بالاتر یک گذار کوانتومی (ناپیوسته) و در حقیقت نوعی جهش محسوب می‌شود. در فرمو‌ل‌بندی این فرآیند نیز انرژی‌ها به‌صورت مضربی از ثابت پلانک و به شکل گسسته تعریف شده‌اند. با وجود توضیحات دقیق و تازه‌ای که کوانتوم در مورد ساختار اتم ارائه کرد، همچنان اطلاع از موقعیت مکانی دقیق الکترون داخل اتم ممکن نیست و مکانیک کوانتومی فقط می‌تواند احتمال حضور الکترون در موقعیت‌های مختلف را ارائه کند. نکته جالب در این زمینه این است که هر چقدر بخواهیم مکان الکترون را دقیق‌تر بدانیم، به همان اندازه عدم‌قطعیت ما در مورد اندازه حرکت الکترون بیشتر شده است.

با اینکه مکانیک کوانتومی علم عدم‌قطعیت‌ها و احتمالات محسوب می‌شود، اما در توضیح پدیده‌های اتمی و نتایج آزمایشگاهی که پیش از آن به‌سختی قابل انجام بودند، بسیار موفق عمل کرده است. پیش‌بینی‌های کوانتوم به‌ویژه در زمینه الکترودینامیک کوانتومی (QED) جزء دقیق‌ترین دستاوردهای علم فیزیک است. در بخش‌های آتی خواهید دید که نقش کوانتوم در یادگیری و درک مباحث پیشرفته‌تر در فیزیک چیست.

مکانیک نسبیتی

در فیزیک کلاسیک، فضا به‌عنوان یک موقعیت مکانی مطلقا خالی تصور می‌شود که در آن پدیده‌های طبیعی به‌صورت مستقل از زمان جلو می‌روند. به این ترتیب فرض می‌شود هر رویدادی که برای ناظر اول رخ داده است، همزمان برای ناظر دوم هم اتفاق می‌افتد. در این مطالعات جرم یک کمیت ناوردا است و سرعت هر ذره‌ای اگر انرژی کافی کسب کند، می‌تواند تا بی‌نهایت زیاد شود. در این بخش می‌خواهیم ببینیم تفاوت مکانیک کلاسیک و مکانیک نسبیتی در فیزیک چیست. در همین زمینه فیلم آموزش نسبیت خاص فرادرس را که لینک آن در ادامه برای شما قرار داده شده است، می‌توانید مشاهده کنید:

«نظریه نسبیت خاص» (Special Theory of Relativity) در سال ۱۹۰۵ میلادی و توسط انیشتین مطرح شد. این نظریه در سال‌های بعد توسط آزمایش‌های مختلف تایید شد و در حال حاضر به‌عنوان یکی از مهم‌ترین قوانین فیزیک شناخته می‌شود. فرضیات انیشتین در پایه‌گذاری نظریه نسبیت خاص دو مورد زیر هستند:

1. همه ناظران (بدون در نظر گرفتن وضعیت حرکتی آن‌ها نسبت به منبع نور)، همواره سرعت یکسانی را برای نور اندازه‌گیری می‌کنند.
2. قوانین فیزیک در تمام چارچوب‌‌های مرجع اینرسی یکسان هستند.

انیشتین در توسعه این نظریه فرض کرد چارچوب‌های مرجعی وجود دارند که نسبت به هم در حال حرکت‌اند، طوری که برای آن‌ها اولین قانون نیوتن که همان قانون اینرسی است، برقرار است. بنابراین این چارچوپ‌های مرجع، که چارچوب‌های مرجع اینرسی هم نامیده می‌شوند، با سرعت ثابتی نسبت به هم حرکت می‌کنند. اولین فرض بالا که همان ثابت بودن سرعت نور است توسط آزمایش‌هایی در زمینه اتساع زمان و انقباض فضا تایید شد. تصویر بالا که نشان‌دهنده ناتوانی اجسام در فرار از یک سیاه‌چاله است، یکی از مهم‌ترین آثار ثابت بودن سرعت نور محسوب می‌شود. سیاه‌چاله دارای میدان گرانشی فوق‌العاده قوی است و تنها زمانی امکان فرار از آن وجود دارد که بتوان با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کرد.

موضوع اصلی نظریه نسبیت خاص بررسی و توضیح ارتباط بین فضا، زمان، جرم و انرژی است، در حالی که در نظریه بعدی انیشتین، یعنی «نظریه نسبیت عام» (General Theory of Relativity) گرانش هم وارد این مسئله می‌شود. معادله معروف انیشتین که رابطه بین جرم، انرژی و سرعت نور را به‌خوبی توصیف می‌کند، به‌صورت زیر است:

$$E = mc^2$$

با ورود مفهوم گرانش به نظریه نسبیت خاص، تعریف آن نیز از فرم کلاسیکی‌اش خارج شد. طبق نظریه نسبیت عام، گرانش به این معنا است که یک جرم نوعی چقدر فضا – زمان را خمیده می‌کند. این نظریه به‌خوبی توضیح می‌دهد که چگونه سیاه‌چاله‌های عظیم با جرم بالا در یک فضای کوچک باعث خمیدگی آن فضا و به دام انداختن نور می‌شوند.

اپتیک

در مبحث الکترومغناطیس یاد گرفتیم که مفهوم امواج الکترومغناطیس در فیزیک چیست و چه ویژگی‌هایی دارند. گفتیم یکی از این امواج نور مرئی است که مطالعه آن در شاخه‌ای از فیزیک به نام «اپتیک» (Optic) انجام می‌شود. در اپتیک نحوه انتشار نور و فرآیندهایی که در مسیر انتشار نور وجود دارند، بررسی می‌شوند. اپیتک و الکترومغناطیس در مباحث زیادی هم‌پوشانی دارند، اما موضوعات دیگری نیز وجود دارند که فقط در اپتیک مطرح شده‌اند.

برای مثال، اگر بخواهیم پرتوهای نور را ردیابی کنیم، بهتر است با فرمول‌بندی‌های اپتیک هندسی آشنا شویم، در حالی که اگر فقط به پدیده‌های موجی نور توجه کنیم، در حقیقت اپتیک فیزیکی را مطالعه کرده‌ایم. همچنین اخیرا شاخه دیگری از اپتیک به نام «اپتیک کوانتومی» توسعه داده شد که با نظریات و کاربردهای لیزر سروکار دارد. لیزر ابزاری است که یک پرتو همدوس و با شدت بالا را از یک منبع دارای جهت‌گیری واحد تولید می‌کند.

کاربردهای اپتیک بسیار گسترده است، از نحوه تشکیل تصویر در لنزها، میکروسکوپ‌ها و تلسکوپ‌ها گرفته تا سایر ابزارهای اپتیکی مانند لیزر. در تمام این کاربردها مسیر انتشار نور توسط خطوط مستقیمی توصیف می‌شود که پرتو نام دارند. این بخش در حوزه اپتیک هندسی قرار می‌گیرد. اما همان‌طور که گفتیم برای مشاهده اثرات ظریف‌تر ناشی از خواص موجی نور مرئی، بهتر است اپتیک فیزیکی را مطالعه کنیم. یکی از پدیده‌های ناشی از موجی بودن نور، «تداخل» است.

در تداخل دو پرتو نوری دارای خاصیت موج‌گونه در ناحیه‌ای از فضا با هم تلاقی دارند و از ترکیب آن‌ها در نقاط خاصی ممکن است امواج تقویت شده یا کاهش یافته ایجاد شوند. چنانچه قله‌ها و دره‌ها دو پرتو اولیه روی هم قرار بگیرند، موج تولید شده حاصل از تداخل دارای دامنه تقویت شده‌ای نسبت به هر کدام از دو موج اولیه است. بالعکس، اگر قله یک موج با دره موج دیگر تداخل کند، این دو موج اثر هم را کاهش داده‌اند. در حالت اول تداخل سازنده و در حالت دوم تداخل ویرانگر داریم.

پدیده موجی دیگری که در اپیتک مطالعه و بررسی می‌شود، «پراش» نام دارد. پراش موجب می‌شود موج به‌صورت نواحی هندسی سایه‌ای منتشر شود. وقوع پراش باعث می‌شود تصاویر تولید شده توسط ابزارهای اپتیکی کمی مبهم و تار شوند که اندازه این ابهام به طول‌موج نور بستگی دارد. برخی ابزارهای اپتیکی مانند توری پراش یا تداخل‌سنج طی این دو پدیده موجی در اپتیک به ما کمک می‌کنند تا بتوانیم طول‌موج نور را به دقت اندازه‌گیری کنیم.

فیزیک اتمی (فیزیک شیمی)

فیزیک اتمی یا فیزیک شیمی یکی از مهم‌ترین شاخه‌های فیزیک است که تا حد زیادی با شیمی هم‌پوشانی دارد. این مبحث یکی از دستاوردهای قرن بیستم در مورد ساختار اتم است. می‌دانیم اتم از دو بخش اصلی به نام هسته و الکترون‌هایی که دور هسته در حال حرکت‌اند، ساخته شده است. همچنین می‌دانیم ترکیب اتم‌ها مولکول‌ها را می‌سازد که مطالعه و بررسی آن‌ها در حوزه علم شیمی و شیمی فیزیک قرار دارد. از کنار هم قرار گرفتن مولکول‌ها در قالب ساختاری منظم و تعریف شده کریستال‌ها یا بلورها شکل می‌گیرند که موضوع اصلی شاخه دیگری از فیزیک به نام فیزیک حالت جامد یا فیزیک ماده چگال است.

تمام علومی که تا اینجای این بخش به آن‌ها اشاره شد به بررسی ساختار درونی ماده و با تاکید بر بخش بیرونی هسته اتم یعنی الکترون‌ها یا ساختار الکترونی مطالعات خود را توسعه داده‌اند. این در حالی است که از بخش درونی اتم یعنی هسته، تنها جرم و بار هسته (که در مورد یک اتم خثنی معادل است با بار تمام الکترون‌ها) روی شکل‌گیری خواص فیزیکی و شیمیایی ماده تاثیرگذار‌اند.

حالا برای اینکه بهتر متوجه شوید موضوع اصلی در فیزیک اتمی چیست، بهتر است ابتدا کمی در مورد شباهت سیستم خورشید و سایر سیارات با اتم صحبت کنیم. با توجه به اینکه دیدیم قدرت نیروهای الکتروستاتیکی و گرانشی هر دو با معکوس مجذور فاصله تغییر می‌کند، بنابراین مکانیک کلاسیکی و الکترومعناطیس کلاسیکی در توجیه و بررسی اجزای اتمی خیلی خیلی کوچک با سرعت حرکت بالا شکست می‌خورند. به این ترتیب برای مطالعه ساختار اتمی باید رویکرد جدیدی را انتخاب کنیم که مکانیک کوانتومی نام دارد. حتی اگر بخواهیم جزئیات دقیق‌تری در این زمینه بدانیم، بهتر است از شاخه دیگری از کوانتوم به نام «الکترودینامیک کوانتومی» (Quantum Electrodynamic) یا QED استفاده کنیم.

اغلب خواص اتمی توسط آزمایش‌‌های غیرمستقیم استنباط و نتیجه‌گیری شده‌اند. یکی از این نوع آزمایش‌ها که جزء مهم‌ترین تکنیک‌های مشخصه‌یابی در علم فیزیک و شیمی به‌شمار می‌رود، طیف‌سنجی است که ارتباط آن را با فیزیک اتمی و سایر شاخه‌های فیزیک در تصویر بالا مشاهده می‌کنید. در روش‌های مختلف طیف‌سنجی به اندازه‌گیری و تحلیل امواج الکترومغناطیسی که ممکن است توسط ماده موردنظر و ساختار اتمی آن جذب یا گسیل شده باشد، پرداخته می‌شود. این امواج دارای مشخصه‌های متمایز از هم هستند و همین ویژگی باعث می‌شود بتوانیم با توجه به این ویژگی‌ها و ارتباطی که مکانیک کوانتومی بین ساختار ماده و این امواج ایجاد کرده است، به خواص اتمی پی ببریم. با توجه به ثوابت دقیقی که در فیزیک اتمی تعریف شده است، عملا امکان مطالعه ساختارهای اتمی با تقریب بسیار بالا و درستی امکان‌پذیر است. برخی از این ثوابت فیزیکی مهم عبارت‌اند از بار و جرم الکترون، سرعت نور و ثابت پلانک. در این میان، ثابت پلانک بنیادی‌ترین ثابت در نظریه کوانتومی محسوب می‌شود.

فیزیک ماده چگال

در «فیزیک ماده چگال» (Condensed-matter Physics) خواص اپتیکی، مغناطیسی، الکتریکی، کششی و گرمایی گروه خاصی از مواد شامل جامدات و کریستال‌های مایع بررسی و مطالعه می‌شود. اگر حوزه مطالعاتی این شاخه فقط به بررسی جامدات اختصاص داده شود، در این صورت فیزیک ماده چگال با عنوان «فیزیک حالت جامد» شناخته می‌شود.

فیزیک ماده چگال از نیمه دوم قرن بیستم با سرعت زیادی شروع به رشد و پیشرفت کرد و دستاوردهای بسیاری در زمینه تکنولوژی و کاربرد جامدات به همراه داشت. برای مثال، ترانزیستورها و سایر ابزارهای الکترونیکی بر پایه لایه‌‌های نازک مانند سلول‌های خورشیدی یا مواد سرامیکی همه و همه حاصل مطالعات و پژوهش‌های انجام شده در این زمینه است.

نمودار بالا تنها بخشی از مباحث مطرح شده در حوزه فیزیک ماده چگال را نشان می‌دهد. در ادامه راجع‌به برخی از این موضوعات مانند فیزیک حالت جامد، ابررسانایی و مغناطیس توضیحات مختصری ارائه می‌شود. اگر خاطرتان باشد، در بخش‌‌های گذشته به مفاهیم پایه مغناطیس اشاره شد، اما در سطوح پیشرفته‌تر مطالعه روی خواص مغناطیسی مواد در حوزه فیزیک ماده چگال یا به‌طور دقیق‌تر فیزیک حالت جامد قرار می‌گیرد. همچنین اگر علاقه‌مند هستید بدانید ارتباط کامپیوترهای کوانتومی با این شاخه از فیزیک چیست، پیشنهاد می‌کنیم مطلب زیر از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

فیزیک حالت جامد

جامدات با توجه به ساختار خود و نحوه قرار گرفتن اتم‌ها در کنار هم به دو گروه جامدات بلورین یا کریستالی و جامدات آمورف تقسیم‌بندی می‌شوند. جامدات بی‌شکل یا آمورف شکل منظمی ندارند، اما در بلورها با توجه به وجود یک آرایه منظم و تکرار شده از اتم‌ها، خواص جالب‌توجه و کاربردی دیده می‌شود. به همین دلیل مطالعات فیزیک ماده چگال و فیزیک حالت جامد بیشتر روی این گروه از جامدات انجام می‌شود. به‌ویژه اینکه خاصیت تناوبی یا دوره‌ای بودن در ساختار این مواد موجب ایجاد نظمی در آن‌ها شده است که به ما اجازه می‌دهد تا بتوانیم از مکانیک کوانتومی در مطالعه و بررسی ویژگی‌های آن‌ها استفاده کنیم.

مطالعه روی بلورها، «بلورشناسی یا کریستالوگرافی» نامیده می‌شود. در بلورشناسی هفت دستگاه بلوری مختلف بر اساس انواع چینش یا کنار هم قرار گرفتن اتم‌ها در یک جامد بلورین معرفی می‌شود که سه فرم از دستگاه بلوری مکعبی در تصویر زیر نشان داده شده است. در نظریه فیزیک ماده چگال اتم‌های یک جامد از فواصل دور با هم در هماهنگی و تعامل هستند، به همین علت تئوری‌‌های در نظر گرفته شده در مقیاس کل جامد و با در نظر گرفتن تمام اتم‌ها و مولکول‌ها به‌عنوان یک کلیت در مطالعات اعمال می‌شوند. به این ترتیب مطالعه جامداتی با خاصیت رسانایی الکتریکی بالا مانند فلزات که عموما به‌صورت جامداتی شامل دریای الکترون آزاد (همان الکترون‌های ظرفیت در اتم‌های جامد) در نظر گرفته می‌شوند، از اهمیت بالایی برخوردار است.

الکترون‌های آزاد در جامدات نقش مهمی دارند و در حقیقت بیشتر خواص رسانایی، ترابرد یا انتقال خواص الکترونی و خواص گرمایی از طریق این واحدهای مهم انجام می‌شود. همچنین نکته جالبی که در مطالعه جامدات وجود دارد این است که الکترون‌های آزاد در محاسبات و فرمول‌بندی‌ها به‌صورت جمعی و متعلق به کل جامد و نه به تک تک اتم‌ها فرض می‌شوند و این همان موضوعی است که بالاتر به آن اشاره کردیم. با وجود اینکه مواد جامد آمورف ویژگی‌‌های جالب توجه جامدات بلورین را ندارند، اما روی این گروه از مواد نیز مطالعات ماده چگال انجام می‌شود.

می‌دانیم مواد جامد بلورین و آمورف با توجه به رسانش الکتریکی خود به دو گروه رسانا و نارسانا تقسیم می‌شوند و در فیزیک ماده چگال، خواص و کاربردهای هر دو بررسی و مطالعه می‌شود. به‌علاوه گروه دیگری از جامدات که بسیار موردتوجه و علاقه دانشمندان این حوزه است، نیمه‌رساناها یا نیمه‌هادی‌ها هستند. اگر بخواهیم بدانیم اهمیت مطالعه و شناخت خواص جالب توجه نیمه‌رساناها در فیزیک چیست، بهتر است ابتدا با فرآیند رسانایی الکتریکی و مفهوم گاف نواری در این مواد در مقایسه با رساناها و نارساناها آشنا شویم.

در فیزیک حالت جامد، طبق نظریه‌ای به نام «نظریه نواری»، پوسته یا لایه ظرفیت تمام اتم‌ها در قالب نواری به نام نوار ظرفیت معرفی می‌شود. اگر الکترونی انرژی بیشتری به‌دست آورد (از طریق جذب گرما یا جذب نور در قالب فوتون‌‌‌های انرژی)، می‌تواند نوار ظرفیت را ترک کرده و در قالب یک الکترون آزاد به نوار رسانش در جامد وارد شود. الکترونی که از نوار ظرفیت خارج شده و با گذر از گاف نواری وارد نوار رسانش ماده می‌شود، الکترون برانگیخته نام دارد. اختلاف انرژی بین نوار رسانش و نوار ظرفیت در هر ماده‌ای گاف نواری یا گاف انرژی نامیده می‌شود.

گاف نواری هر ماده نشان‌دهنده این است که الکترون‌های ظرفیت در آن ماده برای رفتن به نوار رسانش به چه مقدار انرژی نیاز دارند. در نتیجه با دانستن گاف و تامین انرژی موردنیاز برای هر الکترون، می‌توانیم موفق به انتقال الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانش در ماده شویم. در این صورت الکترون‌های آزاد بیشتری خواهیم داشت که حاصل آن افزایش رسانایی ماده است. تفکیک مواد مختلف از نظر رسانایی در سه گروه رسانا، نیمه‌رسانا و نارسانا با توجه به اندازه گاف نواری و با توجه به نمودار انرژی زیر انجام می‌شود. نکته مهم در مورد گاف نواری این است که از نظر کوانتومی ورود الکترون به محدوده گاف را غیرمجاز فرض می‌کنیم، مگر در موارد استثنا که در این شرایط با حالت‌های تله در ماده روبرو خواهیم شد.

همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، گاف نواری در مواد نارسانا مقدار بزرگی دارد. به همین دلیل عملا امکان برانگیخته شدن الکترون‌ها و ایجاد الکترون آزاد در این مواد وجود ندارد. البته روش‌‌های خاصی مانند اعمال ولتاژ بالا به ماده می‌تواند به برانگیختگی الکترون‌ها کمک کند. اما در نیمه‌رساناها اندازه گاف در حدی است که الکترون‌‌های ظرفیت ماده با جذب گرما یا فوتون، قابلیت برانگیختگی و رفتن به نوار رسانش را دارند. این در حالی است که در مواد رسانا نوار ظرفیت و رسانش ماده هم‌پوشانی دارند و در حقیقت گافی وجود ندارد یا اگر هست، خیلی خیلی کوچک است.

بخش‌های دیگر فیزیک حالت جامد به مطالعه حالت مایع معمول در موادی به نام کریستال‌‌های مایع و در دماهایی نزدیک به صفر مطلق اختصاص دارد. چنین موادی «مایعات کوانتومی» نامیده می‌شوند. مایعات کوانتومی خاصیت مهمی به نام «ابرشارگی» را از خود نشان می‌دهند که به جریان‌های کاملا بدون اصطکاک گفته می‌شود. ابرشارگی در سیالات از جهاتی با ابررسانایی در جامدات (به معنای عبور جریان الکتریسیته بدون مقاومت) شباهت دارد. ابررسانایی در دماهای خاص و خیلی پایین در گروه خاصی از جامدات مانند مواد سرامیکی و فلزی مشاهده می‌شود. جدا از اهمیت کاربردی ابررساناها و ابرشاره‌ها در زمینه تکنولوژی امروز، اطلاع از چنین حالت‌های کوانتومی ماکروسکوپی مایع و جامدی در مطالعات اخترشناسی ساختار ستاره‌ای مانند ستاره نوترونی بسیار اهمیت دارند. در بخش بعد با ابررسانایی بیشتر آشنا می‌شوید.

ابررسانایی

یکی دیگر از جذاب‌ترین و کاربردی‌ترین مباحث فیزیک ماده چگال، «ابررسانایی» (Superconductivity) است که در این بخش خواهیم دید اساسی‌ترین مفاهیم آن در فیزیک چیست. می‌دانیم همه مواد حتی بهترین رساناها مانند نقره و مس دارای مقاومت هستند. اما در ابررسانایی می‌بینیم که با کاهش دما در برخی از مواد این امکان وجود دارد که بتوانیم مقاومت را تا حد زیادی کاهش دهیم.

اگر بتوانیم ماده‌ای را تا زیر دمایی به نام دمای بحرانی یا دمای گذار ($$T_c$$

تصویر بالا نمودار مقاومت الکتریکی بر حسب دما را برای یک ابررسانا و فلز معمولی نشان می‌دهد تا بهتر بتوانید تفاوت ویژگی‌های فلزات و ابررساناها را مقایسه کنید. فلز معمولی حتی در دماهای خیلی کم باز هم مقداری مقاومت دارد، اما برای یک ابررسانا زیر دمای بحرانی، مقاومت کاملا صفر است. یکی دیگر از آثار ابررسانایی در دماهای زیر دمای بحرانی این است که امکان نفوذ میدان‌ مغناطیسی خارجی در ابررسانا وجود ندارد، بلکه چنین میدانی فقط روی سطح باقی می‌ماند. این پدیده، «اثر مایسنر» نام دارد.

تصویر بالا یکی از معروف‌ترین آزمایش‌های ابررسانایی است که در آن یک ماده مغناطیسی روی یک ابررسانا شناور می‌ماند. میدان مغناطیسی این ماده مغناطیسی یک جریان الکتریکی در ابررسانا القا می‌کند و در مقابل، این جریان در ابررسانا با توجه به اصول الکترومغناطیس، یک میدان مغناطیسی خیلی قوی ایجاد خواهد کرد. با توجه به اینکه ابررسانا مقاومت ندارد، این میدان مغناطیسی در حدی قوی است که با اثر میدان گرانشی وارد شده به ماده مغناطیسی مخالفت کرده و موجب شناوری آن روی ابررسانا می‌شود.

خواص مغناطیسی مواد

بررسی خواص مغناطیسی در جامدات یکی از مهم‌ترین و گسترده‌ترین حوزه‌های مطالعاتی در علم فیزیک است. برای ورود به این مبحث، ابتدا باید ببینیم رفتار مغناطیسی جامدات در فیزیک چیست. هر ماده‌ای صرف‌نظر از اینکه یک ماده مغناطیسی باشد یا نه، زمانی که در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، رفتار متفاوتی نشان می‌دهد. بر این اساس، رفتار مغناطیسی مواد می‌تواند در یکی از دسته‌بندی‌های زیر قرار بگیرد:

• دیامغناطیس
• پارامغناطیس
• فرومغناطیس
• فری‌مغناطیس
• سوپرپارامغناطیس

در ادامه یک توضیح کلی راجع‌به سه حالت اول که رایج‌ترین رفتارهای مغناطیسی بین مواد مختلف است، ارائه می‌شود. اگر الکترون‌های بیرونی‌ترین لایه در یک ماده جامد به‌صورت جفت در اوربیتال‌های خود قرار گرفته باشند، در این صورت این الکترون‌ها میدان مغناطیسی یکدیگر را به‌علت اسپین‌های مخالف هم حذف می‌کنند. پس چنین موادی نمی‌توانند میدان مغناطیسی برآیندی به‌خودی خود داشته باشند. ولی در موادی که الکترون‌های جفت نشده داشته باشم، میدان مغناطیسی می‌تواند وجود داشته باشد یا ایجاد شود. این مواد، مواد مغناطیسی نامیده می‌شوند و قادرند به میدان‌های مغناطیسی خارجی نیز پاسخ دهند.

این در حالی است که در مورد یک پارامغناطیس، ماده در غیاب میدان دارای دوقطبی‌های مغناطیسی است، اما این دوقطبی‌ها با توجه به جهت‌گیری‌های تصادفی خود در نهایت میدانی ایجاد نمی‌کنند. قرار گرفتن چنین ماده‌ای در یک میدان خارجی موجب می‌شود این دو‌قطبی‌ها در راستای میدان هم‌جهت شوند. عناصری مانند اکسیژن، آلومینیوم و تیتانیوم اغلب خاصیت پارامغناطیسی از خود نشان می‌دهند. دقت کنید اگر میدان حذف شود، این مواد هم خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند.

گروه سوم از مواد مغناطیسی که در این نوشته معرفی می‌شوند، فرومغناطیس‌ها هستند. فرومغناطیس‌ها متشکل از حوزه‌های مغناطیسی با جهت یکسان‌اند و زمانی که در یک میدان خارجی قرار داده شوند، این میدان با میدان خارجی هم‌جهت می‌شود و در نتیجه می‌توانیم یک آهن‌ربای دائمی از این مواد داشته باشیم. چنین ویژگی در اغلب آلیاژ‌های ساخته شده از عناصری مانند آهن، نیکل و کبالت دیده می‌شود.

فیزیک هسته‌ ای

تا اینجا آموختیم بخش‌های مختلف فیزیک چیست و چه حوزه‌هایی در آن بررسی و مطالعه می‌شود. در این قسمت «فیزیک هسته‌ای» (Nuclear Physics) را معرفی می‌کنیم که کاملا روی هسته اتم متمرکز است و به مطالعه و بررسی تابش‌های حاصل از هسته‌های ناپایدار نیز می‌پردازد. در بخش فیزیک اتمی در مورد ساختار اتم و اجزای تشکیل دهنده آن صحبت کردیم. هسته اتم با ابعادی حدود هزار برابر کوچکتر از اتم و در مرکز آن قرار دارد. این بخش مهم از اتم حاوی دو ذره بنیادی به نام پروتون و نوترون است. پروتون‌ها دارای بار مثبت و نوترون‌ها ذراتی بدون بار هستند. بنابراین می‌توانیم بار کل هسته را از نوع مثبت در نظر بگیریم.

از طرفی الکترون‌های یک اتم در خارج از هسته و طبق مدل کوانتومی اتم، در محدوده‌ای به نام ابر الکترونی قرار دارند و با توجه به اینکه دارای بار منفی هستند، در نتیجه به هسته با بار مثبت نیروی جاذبه الکتروستاتیکی وارد می‌کنند و بالعکس. بنابراین نیروی بین هسته و الکترون‌ها ماهیت الکتریکی دارد. در اینجا سوالی که پیش می‌آید این است که هسته اتم چگونه پایدار می‌ماند و چه نوع نیرویی بین پروتون‌ها و نوترون‌ها وجود دارد که از از هم پاشیدن هسته جلوگیری می‌کند فیزیک اتمی نمی‌تواند به این سوال پاسخ دهد و برای پیدا کردن پاسخ درست باید فیزیک هسته‌ای را مطالعه کنیم.

در فیزیک هسته‌ای یک نوع نیروی بسیار قوی به نام «نیروی هسته‌ای» معرفی می‌شود که بین پروتون‌ها و نوترون‌های هسته وجود دارد. به این ترتیب هسته با وجود این نیرو پایدار می‌ماند. انرژی‌ حاصل از چنین نیرویی حدودا یک میلیون برابر بزرگتر از انرژی‌‌ اتمی معمول است. در فیزیک هسته‌ای نیز از مکانیک کوانتومی استفاده می‌شود. در بخش فیزیک ماده چگال توضیح دادیم که الکترون‌ها به چه صورت در حالت برانگیخته قرار می‌گیرند. الکترون‌های برانگیخته شده در حالت ناپایدار قرار دارند، به این معنا که اگر توسط فرآیندهای ترابرد و انتقال بار به مدارهای موردنظر وارد نشوند، بلافاصله با آزاد کردن انرژی به حالت اولیه یا حالت پایه بازگشته و دیگر نمی‌توانیم از آ‌ن‌ها به عنوان الکترون رسانش استفاده کنیم.

روند مشابهی برای هسته‌های اتمی ناپایدار وجود دارد. هسته‌‌‌های ناپایدار رادیواکتیو با گسیل پرتوهای الکترومغناطیسی به‌صورت طبیعی یا طی فرآیندهای خاصی با این هدف، می‌توانند به حالت پایدار برسند. محدوده انرژی تابش‌های گسیل شده از هسته در طیف الکترومغناطیس با اشعه گاما معادل است، بنابراین این تابش‌ها دارای انرژی فوق‌العاده بالایی هستند. اما تابش‌های رادیواکتیو هسته‌ها فقط به فوتون‌ها محدود نمی‌شود، بلکه این فرآیندها ممکن است با گسیل ذراتی شامل الکترون‌های با بار منفی و ذراتی به نام پوزیترون نیز همراه باشد که «اشعه بتا» نامیده می‌شود. همچنین هسته هلیوم (اشعه آلفا) و نوترون‌ها نیز دیگر ذراتی هستند که ممکن است محصول تابش رادیواکتیو هسته‌‌های ناپایدار باشند.

بنابراین یکی از مهم‌ترین ابزارهای مطالعاتی و پژوهش در حوزه فیزیک هسته‌ای بکارگیری پرتوهایی از ذراتی مانند پروتون یا الکترون است که به عنوان پرتابه به سمت هدف هدایت می‌شوند. در این فرآیند تمام ذرات ایجاد شده شناسایی شده و با بکار بردن قوانین پایستگی انرژی و پایستگی اندازه حرکت می‌توان به جزئیات بیشتری در مورد نیروهای قوی هسته‌ای دست پیدا کرد. در بخش‌های بعد خواهید دید دو فرآیند مهم در مباحث هسته‌ای در فیزیک چیست.

انواع نیروهای هسته‌ای

نیروهای هسته‌ای به دو گروه تقسیم می‌شوند:

• نیروهای هسته‌ای قوی
• نیروهای هسته‌ای ضعیف

نیروی هسته‌ای ضعیف همان نیرویی است که موجب واپاشی بتا می‌شود. اما اگر بخواهیم به‌طور دقیق‌تر بدانیم مفهوم نیروی هسته‌ای قوی در فیزیک چیست، بهتر است ابتدا با مزون‌ها آشنا شویم. در آزمایش‌های مربوط به برخوردهای هسته‌ای از پرتوهایی شامل ذراتی با انرژی بالا مانند ذرات ناپایداری به نام مزون‌ها استفاده می‌شود. مبادله مزون‌ها بین پروتون‌ها و نوترون‌های داخل هسته عامل مهمی است که نیروی هسته‌ای قوی را ایجاد می‌کند.

شکافت و هم‌جوشی هسته‌ای

اغلب طی فرآیندهای واپاشی و در واکنش‌های برخورد هسته‌ای، مشخصه شیمیایی هدف هسته‌ای تغییر می‌کند که ناشی از تغییر بار هسته است. همچنین در واکنش‌هایی به نام «شکافت هسته‌ای» (Nuclear Fission) و «همجوشی هسته‌ای» (Nuclear Fusion) نیز انرژی فوق‌العاده بالایی در مقایسه با واکنش‌های شیمیایی مبادله می‌شود. تصویر زیر نشان می‌دهد تفاوت شکافت و همجوشی هسته‌ای در فیزیک چیست. در شکافت یک جرم سنگین به اجزای سبک‌تری شکسته می‌شود، در حالی که در همجوشی اجزای سبک با هم ترکیب می‌شوند:

فیزیک ذرات بنیادی

با بخشی از ذرات بنیادی و اهمیت مطالعه آن‌ها در فیزیک اتمی و هسته‌ای آشنا شدیم، اما موضوع «فیزیک ذرات بنیادی» (Physics of Fundamental Particles) مطالعه ذراتی در مقیاس کوچکتر از الکترون‌ها و پروتون‌ها است که خود از ذرات دیگری ساخته نشده‌اند. در  این بخش از فیزیک که فیزیک انرژی‌‌های بالا هم نامیده می‌شود، در دهه ۱۹۳۰ و پس از انجام آزمایش‌هایی در زمینه فیزیک هسته‌ای و فیزیک پرتوهای کیهانی توسعه یافت. در حقیقت ابتدا پژوهشگران پرتوهای کیهانی را مطالعه کردند که با انرژی‌های بسیار بالا به سمت زمین فرود آمده و با جو زمین برهم‌کنش دارند. اما پس از جنگ جهانی دوم دانشمندان به تدریج شروع کردند به استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات با انرژی بالا تا به این وسیله بتوانند در مورد ذرات بنیادی اطلاعات بیشتری کسب کنند.

در همین راستا از نظریه میدان کوانتومی که تعمیمی از الکترودینامیک کوانتومی است و برای میدان نیروهای دیگر بکار می‌رود، نیز استفاده شد. می‌دانیم ذرات زیراتمی معروف شامل الکترون‌ها و پروتون‌ها و نوترون‌ها با چشم انسان قابل مشاهده نیستند و همین ابعاد خیلی کوچک در این ذرات موجب شده است برای مطالعه آن‌ها از قوانین مکانیک کوانتومی استفاده کنیم.

در حقیقت با اینکه این ذرات دارای جرم، خواص مغناطیسی، بار، اسپین و سایر خواص جالب‌توجه هستند، اما آن‌ها را مانند فیزیک کلاسیکی به ‌عنوان ذرات نقطه‌ای مدل‌سازی نکرده و چنین رفتاری با آن‌ها نداریم. به همین ترتیب، در مطالعه ویژگی‌های ذرات زیراتمی دیگر نیز از مکانیک کوانتومی پیشرفته استفاده شده است. تصویر بالا نموداری از تمام ذرات سازنده یک ماده را نشان می‌دهد که در ادامه برخی از این ذرات را بیشتر معرفی خواهیم کرد.

طبق این تصویر، باریون‌ها مانند پروتون و نوترون از ترکیب سه کوارک ساخته می‌شوند و به همین علت است که بار آن‌ها برابر با $$+1$$ یا $$0$$ است. مزون‌ها که مسئول برقراری نیروهای هسته‌ای قوی داخل هسته اتم هستند، شامل یک کوارک و یک آنتی کوارک‌اند. در نتیجه تمام مزون‌های شناخته شده دارای بارهایی به‌صورت $$pm2$$ یا $$pm1$$ یا $$0$$ هستند. البته اغلب ترکیب‌های ممکن برای کوراک‌ها یا هادرون‌ها دارای طول عمر بسیار کوتاهی هستند و خیلی از آن‌ها هرگز تاکنون مشاهده نشده‌اند. در ادامه می‌آموزیم دو نوع مهم از ذرات بنیادی در فیزیک چیست.

کوارک‌ها

کوارک‌ها شش نوع (flavours) هستند و به‌عنوان ذرات بنیادی سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها در نظر گرفته می‌شوند:

• کوارک بالا (u)
• کوارک پایین (d)
• کولرک سر (t)
• کوارک ته (b)
• کوارک افسون (c)
• کوارک شگفت (s)

اگر به نمودار بخش قبل دقت کنید، پروتون‌ها و نوترون‌ها در گروه هادرون‌ها قرار می‌گیرند. به این ترتیب می‌توانیم بگوییم هر ذره‌ای که از کوارک ساخته شده باشد، هادرون است. همچنین هر کوارک به‌صورت مجزا وجود ندارد، بلکه یا به صورت جفت و یا به‌ شکل گروه‌های سه‌تایی دیده می‌شود. تمام این شش نوع کوارک دارای پاذره‌ای به نام پادکوارک یا آنتی‌کوارک هستند. بار کوارک‌ها به این صورت است که یا دو سوم مثبت و یا یک سوم منفی بار الکترون‌ را دارند، در حالی که بار آنتی‌کوارک‌ها همواره منفی بار کوارک متناظرشان است.

لپتون‌ها

در این بخش یاد می‌گیریم ویژگی‌های گروه دیگری از ذرات بنیادی یعنی لپتون‌ها در فیزیک چیست. لپتون‌ها هم مانند کوارک‌ها از ذرات دیگری ساخته نشده‌اند. همچنین هر لپتون دارای یک پادذره با خواص آینه‌ای از خود آن لپتون است. برای مثال، پادذره الکترون با بار منفی ذره‌ای به نام پوزیترون با همان مشخصات ولی با بار مثبت است. شش نوع لپتون عبارت‌اند از:

• الکترون ($$e^-$$)
• الکترون‌نوترینور ($$nu_e$$
• میون ($$mu^-$$)
• میون‌نوترینو ($$nu_{mu}$$
• تائو ($$tau^-$$)
• تائونوترینو ($$nu_{ tau}$$

تفاوت میون و تائو با الکترون در جرم بیشتر این دو ذره است، اما همان‌طور که ملاحظه می‌کنید این سه ذره همگی دارای بار $$-1$$ هستند. همچنین از دسته‌بندی بالا می‌توانیم این نتیجه‌گیری را داشته باشیم که سه نوع نوترینو (الکترون، میون و تائو) داریم. نوترینوها بیشترین فراوانی را بین سایر لپتون‌ها در جهان دارند. این ذرات بدون بار هستند و دارای جرم بسیار ناچیزی در حد صفر می‌باشند. لپتون‌ها به جز نیروهای قوی، با سایر نیروهای بنیادی یعنی نیروهای ضعیف، نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی برهم‌کنش دارند.

ذرات بنیادی حامل نیروها

اگر به نمودار زیر دقت کنید، به‌راحتی می‌توانید متوجه شوید که منشا یا ذرات تشکیل دهنده نیروهای بنیادی در فیزیک چیست:

در حقیقت اگر بخواهیم به‌طور دقیق بدانیم کوارک‌های داخل یک باریون چگونه در کنار هم قرار می‌گیرند، باید با ذرات دیگری از جمله «گلوئون» آشنا شویم. همچنین در این نمودار به نظریات کوانتومی مختلفی که در مطالعه این ذرات استفاده می‌شود، اشاره شده است. برای مثال، میدان‌های کوانتومی میدان‌هایی هستند که از طریق آن‌ها کوارک‌ها و لپتون‌ها هر کدام با خودشان و یا با یکدیگر برهم‌کنش دارند. این برهم‌کنش از طریق عوامل ذره مانندی به نام کوانتوم انجام می‌شود. اولین کوانتوم‌هایی که مطرح شد، کوانتوم‌های میدان‌های الکترومغناطیسی بودند که «فوتون» نام داشت و با آن آشنا هستیم. نور مرئی شامل مجموعه‌ای از کوانتوم‌های میدان الکترومغناطیسی یا مجموعه‌ای از فوتون‌ها است.

همچنین نظریه‌ مدرنی که برهم‌کنش نیروهای هسته‌ای ضعیف و الکترومغناطیس را یکپارچه ‌سازی کرد، «نظریه الکتروضعیف» نامیده می‌شود. در این نظریه فرض می‌شود که نیروهای هسته‌ای ضعیف شامل تبادل ذراتی با جرمی صد بار سنگین‌تر از جرم پروتون است. این کوانتوم‌های سنگین در قالب دو ذره باردار و یک ذره خنثی مشاهده شده‌اند. در نظریه نیروی قوی که با عنوان «کرومودینامیک کوانتومی» (Quantum Chromodynamics) یا QCD نیز شناخته می‌شود، هشت کوانتوم با نام گلوئون موجب پیوند کوارک‌ها با یکدیگر می‌شوند تا باریون‌ها را تشکیل دهند. گلوئون‌ها باعث پیوند کوارک‌ها و آنتی‌کوارک‌ها نیز می‌شوند که حاصل آن تشکیل مزون‌ها است.

یادگیری شاخه‌ های مختلف فیزیک با فرادرس

تا اینجا آموختید که فیزیک چیست و احتمالا حدس زده‌اید که مباحث دروس مختلف آن بسیار گسترده‌اند. در این قسمت قصد داریم مجموعه‌ای از دروس انتخابی فیزیک را به شما معرفی کنیم که شامل برخی موضوعات کاربردی‌تر فیزیک است. با مشاهده این فیلم‌های آموزشی از مجموعه فرادرس می‌توانید یادگیری و تسلط خود را در برخی حوزه‌های تخصصی‌تر فیزیک تقویت کنید:

1. فیلم آموزش رایگان تکنیک خلاء + گواهینامه فرادرس
2. فیلم آموزش فیزیک بدن انسان یا فیزیک پزشکی + گواهینامه فرادرس
3. فیلم آموزش مبانی فوتونیک + گواهینامه فرادرس
4. فیلم آموزش مبانی طراحی اپتیکی + گواهینامه فرادرس
5. فیلم آموزش کار با میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM فرادرس

کاربردهای فیزیک چیست؟

در انتهای این مطلب از مجله فرادرس قصد داریم ببینیم کاربردهای فیزیک چیست. با توجه به گستردگی مباحث و برای اینکه بتوانید کاربرد شاخه‌های مختلف را از هم تفکیک کنید، در چند بخش مجزا به توضیح این عنوان خواهیم پرداخت.

کاربرد مواد مغناطیسی

در بخش‌های قبل یاد گرفتیم تعریف مواد مغناطیسی در فیزیک چیست و چه ویژگی‌هایی دارند. یکی از کاربردهای برخی از این مواد در ترکیب با ویژگی ابررسانایی آن‌ها است. گفتیم در ساخت قطارهای مغناطیسی از مواد ابررسانا استفاده می‌شود. این مواد ویژگی دیامغناطیسی دارند و از این ویژگی در بروز نیروهای دافعه قوی استفاده می‌شود تا قطار مغناطیسی بدون اصطکاک و در حالت شناوری به حرکت خود ادامه دهد. پس کلیه کاربردهایی که برای ابررسانایی ذکر شد، به‌نوعی کاربردبخشی از مواد دیامغناطیس‌ نیز محسوب می‌شود. برخی از کاربردهای سایر مواد مغناطیسی مانند پارامغناطیس‌ها و فرومغناطیس‌ها عبارت است از:

• ساخت ابزارهای ذخیره‌سازی مغناطیسی
• کاتالیزور در برخی از واکنش‌های شیمیایی
• ساخت سنسورهای مغناطیسی مانند سنسور اثر هال

کاربرد ذرات بنیادی

یکی از مهم‌ترین کاربردهای ذرات بنیادی در شتاب‌دهنده‌های الکترون است که برای درمان بیماری‌هایی نظیر کنسر بکار می‌روند. همچنین در ساخت سایر تجهیزات پزشکی مانند تکنیک‌های تصویربرداری PET یا MRI نیز از ذرات بنیادی و ویژگی‌های آن‌ها استفاده می‌شود. سایر کاربردهای ذرات بنیادی عبارت‌اند از:

• درمان بیماری‌ها
• منابع نوری سنکروترون
• انتقال انرژی

کاربرد فیزیک هسته‌ای

در بخش‌های قبل آموختیم که موضوع اصلی این شاخه از فیزیک چیست و دیدیم که تمرکز آن روی هسته و انرژی بالایی است که در واکنش‌های مربوط به آن ایجاد می‌شود. فیزیک هسته‌ای علاوه‌بر اینکه می‌تواند به‌عنوان یکی از روش‌های تولید انرژی بکار رود، در زمینه پزشکی نیز بسیار پرکاربرد است. گفتیم در فرآیند شکافت هسته‌ای همزمان با شکسته شدن یک هسته ناپایدار و تبدیل آن به اجزایی سبک‌تر، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود که می‌توان این انرژی را برای تولید برق کنترل کرد. برق حاصل از انرژی هسته‌ای شامل مزایایی از جمله کاهش اثرات گلخانه‌ای در مقایسه با برق ناشی از سوخت‌های فسیلی است.

یکی دیگر از کاربردهای این شاخه استفاده از روش‌های ایزوتوپی یا تشعشات هسته‌ای به منظور کنترل آفات، سلامت دام‌ها و بهبود مدیریت خاک و آب در کشاورزی است. اما مهم‌ترین کاربرد فیزیک هسته‌ای در حوزه پزشکی است. برای مثال در رادیولوژی از مقادیر خیلی کوچکی از مواد رادیواکتیو به منظور بررسی عملکرد ارگا‌ن‌ها و تشخیص ناهنجاری‌ها در اوایل بیماری استفاده می‌شود. سایر کاربردهای این شاخه از فیزیک عبارت است از:

• آزمایش مواد مختلف با روش‌هایی مانند رادیوگرافی نوترون یا طیف‌سنجی فلوئورسنس پرتو x
• نگهداری مواد غذایی
• نظارت بر محیط زیست

کاربرد ابررسانایی

اگر بدانیم مفهوم ابررسانایی در فیزیک چیست، به ‌راحتی می‌توانیم حدس بزنیم که کاربرد ابررسانایی در شرایطی است که به عبور یک جریان الکتریکی خیلی بالا نیاز داریم. برای نمونه در هر موقعیتی که نیاز به تولید میدان‌های مغناطیسی خیلی قوی داشته باشیم، می‌توانیم از ابررساناها استفاده کنیم. در مجموع برخی از کاربردهای ابرررسانی در ساخت و طراحی وسایل و تکنولوژی‌های زیر است:

• کامپیوترهای کوانتومی
• تجهیزات پزشکی مانند اسکنرهای MRI
• مبدل‌ها و ژنراتورها (به‌ منظور کاهش ریسک آتش‌سوزی)
• قطارهای مونوریل
• قطارهای مغناطیسی
• شتاب‌دهنده‌های ذرات
• راکتورهای هم‌جوشی
• آهن‌رباهای الکتریکی
• ریزتراشه‌ها

برای مثال در تصویر زیر شماتیکی از یک قطار مغناطیسی (Maglev Train) را مشاهده می‌کنید که بر اساس تکنولوژی ابررسانا طراحی و ساخته شده است. کنترل این قطارها به دلیل جرم و سرعت بالا (حدودا ۶۰۳ کیلومتر در ساعت) نیازمند استفاده از آهن‌رباهای الکتریکی بسیار قوی است و چنین آهن‌ربایی فقط با استفاده از ابررسانایی ساخته می‌شود. این قطارها در حال حاضر فقط در ژاپن، کره جنوبی و چین استفاده می‌شوند. بنابراین در این قسمت یاد گرفتیم اهمیت ابررسانایی در پیشرفت و توسعه فیزیک چیست.

کاربرد قطعات نیمه‌رسانا

در این قسمت قصد داریم برخی از کاربردهای مواد نیمه‌رسانا را به‌عنوان گروه خاصی از مواد موردمطالعه در فیزیک ماده چگال بررسی کنیم. اولین و ساده‌ترین کاربرد نیمه‌هادی‌ها ساخت دیود است. دیودها قطعات نیمه‌رسانایی از جنس سیلیکون هستند که در طراحی آن‌ها از دو نوع ناخالصی نوع n و p استفاده می‌شود. می‌دانیم عملکرد اصلی دیودها یکسوسازی جریان است. در ادامه در قالب یک لیست توضیح داده‌ایم سایر کاربردهای قطعات نیمه‌رسانا به‌عنوان بخش مهمی از فیزیک چیست:

• ساخت سنسورهای حرارتی بکار رفته در سیستم‌های تهویه هوا
• ساخت cpu
• ساخت دروبین‌های دیجیتالی، تلفن‌های هوشمند، دیودهای نورگسیل و سلول‌های خورشیدی

کاربرد نانوفیزیک

نانوفیزیک بخشی از علم فیزیک است که کاربردهای آن را امروزه با عنوان نانوتکنولوژی می‌شناسیم. در نانوتکنولوژی هدف این است که بتوانیم مواد مختلف را به‌طور موثری قوی‌تر و در عین حال سبک‌تر همراه با استحکام و واکنش‌پذیری بیشتر بسازیم. در ادامه به‌صورت موردی بیان کرده‌ایم که کاربردهای نانو به‌عنوان یکی از مهم‌ترین دستاوردهای علم فیزیک چیست:

• ساخت تجهیزات پزشکی و واکسیناسیون
• دارورسانی یا Drug Delivery
• صنایع غذایی
• محیط‌زیست
• تهیه محصولات پوستی
• ساخت بیوسنسورها
• علوم فضایی
• الکترونیک
• مهندسی بافت (پزشکی)
• ساخت تجهیزات ورزشی

کاربرد اپتیک

در آخرین بخش‌های این نوشته می‌خواهیم ببینیم برخی دیگر از کاربردهای فیزیک چیست. کاربرد اصلی فیزیک اپتیک و قوانین حاکم بر آن در ساخت ابزارها و وسایل اپتیکی است که عبارت‌اند از:

• میکروسکوپ نوری
• تلسکوپ
• دوربین
• لیزر
• فیبر اپتیکی

برای مثال، تصویر زیر شماتیکی از یک دوربین معمولی را نشان می‌دهد که در آن تصویر یک جسم یا شخص تشکیل و ضبط می‌شود. این تصویر را می‌توان روی یک فیلم و یا با استفاده از یک سنسور الکترونیکی آشکارسازی کرد. اساس تشکیل تصویر در چنین دوربین‌هایی بر مبنای قوانین اپتیک و به شکل زیر است:

1. نور از لنزهای مقابل دوربین عبور می‌کند و از روزنه‌ای به نام دیافراگم وارد دوربین می‌شود.
2. پس از اینکه نور از لنزها عبور کرد، یک تصویر حقیقی کاهش یافته تشکیل می‌شود.
3. شاتر میزان نوری را که به فیلم برخورد می‌کند، کنترل می‌کند.