$$W = Fd cos theta$$

که در آن $$theta$$ زاویه بین بردار نیرو و جابجایی است. همچنین باید دقت کنید که فرمول بالا کار نیروی ثابت $$F$$ را محاسبه می‌کند. اگر بخواهید کار نیروی متغیری مانند $$F(x)$$ را پیدا کنید، لازم است رابطه زیر را بکار ببرید:

$$W = int F(x).dx$$

همان‌طور که اشاره شد، واحد کار معادل است با نیوتن در متر یا ژول که همان واحد استاندارد برای انرژی است. به عبارت دیگر، کار و انرژی دو وجه مختلف از یک ویژگی محسوب می‌شوند و کار می‌تواند انرژی را از یک جسم به جسم دیگر منتقل کند. در بررسی کمیت انرژی می‌دانیم تمام انواع انرژی را می‌توان در دو گروه انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی تقسیم‌بندی کرد. برای مثال، انرژی گرانشی نوعی انرژی پتانسیل محسوب می‌شود، در حالی که انرژی گرمایی از نوع جنبشی است. قضیه کار و انرژی یکی از مهم‌ترین قضایای فیزیک کلاسیکی است که به زیبایی نشان می‌دهد چگونه کار و انرژی به هم تبدیل می‌شوند. طبق این قضیه کار انجام شده روی یک جسم با تغییرات انرژی جنبشی آن برابر است:

$$W = triangle K = K_2 – K_1$$

می‌دانیم فرمول انرژی جنبشی $$K = frac{1}{2} mv^2$$

پایستگی انرژی

نیروهای پایستار به نیروهایی گفته می‌شود که کار انجام شده توسط آن‌ها از مسیر حرکت ذره مستقل است، در حالی که برای نیروهای ناپایستار محاسبه کار به مسیر حرکت ذره بستگی دارد. برای نمونه، نیروی وزن یا نیروی کشسانی فنر مثال‌هایی از نیروهای پایستار هستند. در مقابل، نیروی اصطکاک را می‌توان یک نیروی ناپایستار در نظر گرفت، چون اگر بخواهیم برای غلبه بر این نیرو کاری انجام دهیم، اتلاف انرژی خواهیم داشت.

تکانه خطی و نظریه برخورد

از این بخش به بعد با موضوعاتی از مکانیک کلاسیک آشنا می‌شویم که در سطح پیشرفته‌تری قرار دارند و اولین کمیت مهم برای ورود به این مباحث، تکانه خطی است. فرمول تکانه خطی جرم $$m$$ که با سرعت $$v$$ در حال حرکت است، به شکل $$p = mv$$

در ادامه این بخش و به منظور درک بهتر انواع فیزیک، به موضوع نظریه برخورد می‌رسیم که بر مبنای پایستگی تکانه خطی پایه‌گذاری شده است، به این صورت که اگر دو جرم $$m_1$$

$$m_1v_1 + m_2v_2 = m_3v_3 + m_4v_4$$

سیستم‌ ذرات و مرکز جرم

یکی از مطالعات مهم مکانیک کلاسیک به‌عنوان اولین بخش از انواع فیزیک، بررسی سیستم‌های ذرات است. سیستم ذرات می‌تواند شامل دو، سه یا تعداد زیادی ذره (بس‌ذره‌ای) باشد و می‌توانیم یک سیستم‌ بس‌ذره‌ای را نوعی توزیع جرم نیز در نظر بگیریم. بررسی جرم چنین توزیع‌هایی با معرفی نقطه مشخصی به نام مرکز جرم انجام می‌شود. انتخاب این نقطه باید به گونه‌ای باشد که بتوانیم فرض کنیم تمام جرم در آن نقطه متمرکز شده است. باید دقت کنید که مرکز جرم با مرکز هندسی یک توزیع جرم همیشه معادل نیست.

$$r_{cm} = frac{m_1r_1 + m_2r_2 + … +m_nr_n}{m_1+m_2+ … +m_n}$$

رابطه بالا فرمول مرکز جرم است که می‌توان آن را به شکل زیر نوشت:

$$r_{cm} = frac{sum_i m_i r_i}{m}$$

بنابراین تکانه کل چنین سیستمی برابر خواهد شد با حاصل‌ضرب سرعت مرکز جرم در جرم کل سیستم.

حرکت دورانی، تکانه زاویه ای و گشتاور

پس از اینکه با تمام جنبه‌‌های حرکت خطی در بخش‌‌های ابتدایی مکانیک کلاسیک آشنا شدید، در نهایت نوبت می‌رسد به مطالعه سینماتیک و دینامیک حرکت دورانی. حرکت دورانی بررسی حرکت جسم حول یک محور دوران ثابت است، بدون اینکه موقعیت مکانی آن تغییر کند. البته ممکن است خود این محور نیز دوران داشته باشد که در این صورت با مسئله پیچیده‌تری سروکار داریم که بررسی آن به حوزه «مکانیک تحلیلی» مربوط است. در این بررسی با متغیرهای جدیدی مانند تکانه زاویه‌ای به جای تکانه خطی و گشتاور و ممان اینرسی روبرو خواهیم شد. در حالت کلی معادلات حرکت دورانی کاملا با معادلات حرکت خطی مشابه‌اند، تنها تفاوت در متغیرها و کمیت‌هایی است که در این نوع حرکت باید در نظر بگیریم.

برای مثال، به جای کمیت بنیادی در حرکت خطی که مکان یا $$x$$ است، در حرکت دورانی زاویه یا $$theta$$ را داریم. به این ترتیب سرعت زاویه‌ای و شتاب زاویه‌ای را می‌توان از تغییرات زاویه یا جابجایی زاویه‌ای به شکل زیر تعریف کرد:

$$omega = frac{triangle theta}{triangle t}$$

$$alpha = frac{triangle omega}{triangle t}$$

معادلات سرعت و شتاب در حرکت با شتاب زاویه‌ای ثابت یا سرعت زاویه‌ای ثابت دقیقا مشابه با حرکت خطی است. کمیت مهمی که در این بخش از انواع فیزیک برای اولین بار معرفی می‌شود، گشتاور نیرو است. برای هر نیرویی مانند $$F$$ گشتاور نیرو برابر است با آن عاملی که موجب چرخش جسم حول یک محور می‌شود:

$$tau = rF sin theta$$

واحد گشتاور نیوتن در متر است و اگر با ضرب خارجی آشنا باشید، می‌دانید که می‌توانیم فرمول گشتاور را در قالب ضرب خارجی دو بردار نیرو و فاصله $$r$$ (فاصله عمودی محور دوران تا نقطه اثر نیرو) در نظر بگیریم. کمیت بعدی ممان اینرسی یا گشتاور لختی است که معادل با مقاومت جسم در مقابل دوران در نظر گرفته می‌شود:

$$I = sum mr^2$$

این کمیت به نحوه توزیع جرم جسم حول محور دوران وابسته است و می‌توانیم گشتاور را از ضرب کردن آن در شتاب زاویه‌ای به شکل زیر محاسبه کنیم:

$$tau = Ialpha$$

به‌علاوه تکانه‌ زاویه‌ای را داریم که به شکل زیر تعریف می‌شود:

$$L = I omega$$

تعادل در مکانیک

در آخرین بخش از این حوزه از انواع فیزیک می‌توانیم توسط دو معادله اساسی مکانیک به بررسی وضعیت حرکتی سیستم ذرات یا جسم موردنظر خود بپردازیم و ببینیم آیا در حالت تعادل استاتیکی قرار دارد یا خیر. در حالت کلی زمانی می‌توانیم بگوییم یک سیستم ذرات در تعادل استاتیکی است که دو معادله زیر همزمان برقرار باشند:

$$sum F = 0$$

$$sum tau = 0$$

صفر شدن مجموع یا برآیند نیروها و گشتاورهای وارد بر یک جسم یا سیستم ذرات به این معنا است که در حالت تعادل هیچ نیرو یا گشتاوری به آن‌ها وارد نمی‌شود. اما اگر یکی از دو معادله بالا برابر با صفر نشود، در این صورت تعادل استاتیکی برقرار نیست و سیستم دارای شتاب خطی یا زاویه‌ای است. در انتهای این بخش پیشنهاد می‌کنیم اگر علاقه‌مند به یادگیری جامع و کامل فیزیک ۱ دانشگاهی هستید، می‌توانید به مجموعه فیلم آموزش فیزیک ۱ دانشگاه – درس، تمرین، حل مثال و تست فرادرس مراجعه کنید.

$$sum F = ma$$

$$sum tau = Ialpha$$

فیزیک الکتریسیته و مغناطیس چیست؟

فیزیک الکتریسیته و مغناطیس همان‌طور که از عنوانش مشخص است، به دو بخش مطالعه ویژگی‌ها و مفاهیم الکتریکی و مغناطیسی اختصاص دارد. در الکتریسیته با کمیت‌هایی مانند بار الکتریکی، جریان، ولتاژ، مقاومت، نیرو و میدان الکتریکی سروکار داریم. همچنین به مطالعه قوانینی مانند قانون کولن و بررسی کاربرد و فرمول‌ قطعاتی مانند خازن‌ها، مقاومت‌ها و سلف‌ها در مدارهای الکتریکی می‌پردازیم. زیربنای الکتریسیته قوانین مهمی مانند قانون اهم و قوانین KVL و KCL کیرشهف است.

در مغناطیس هم با کمیت‌های مشابهی مانند نیرو و میدان مغناطیسی روبرو می‌شویم. قانون آمپر یکی از مهم‌ترین قوانین در بررسی مسائل حوزه مغناطیس است. در ادامه توسعه این دو بخش از انواع فیزیک، دانشمندی به نام «هانس کریستین اورستد» (Hans C. Orsted)‌ برای اولین بار متوجه شد که با عبور جریان الکتریکی از یک سیم رسانا میدان مغناطیسی آشکار می‌شود.

«مایکل فارداری» (Michael Faraday) این کشف را در قالب فرمولی به نام قانون القای فارادی ارائه کرد که بر اساس آن تغییرات میدان مغناطیسی با زمان می‌تواند یک نیرو محرکه یا جریان الکتریکی در مدار القا کند:

$$epsilon = – N frac{d phi _B}{dt}$$

فرمول‌ های االکترومغناطیس

در این بخش به‌صورت خلاصه چند فرمول و ثابت مهم در الکترومغناطیس را معرفی می‌کنیم:

• بار الکتریکی: $$q = pm ne$$
• بار بنیادی یا e: $$e = 1.6 times 10^{-19} C$$
• قانون کولن: $$F_e = k frac{q_1q_2}{r^2}$$
• ثابت کولن: $$k = 9 times 10^{9} frac{Nm^2}{C^2}$$
• میدان الکتریکی: $$E = frac{F_e}{q_0} = k frac{q}{r^2}$$
• قانون القای فارادی: $$epsilon = – N frac{d phi _B}{dt}$$
• نیروی مغناطیسی: $$vec{F}= q vec{v} times vec{B}$$
• قانون آمپر: $$oint vec{B} . d vec{l} = mu_0 I_{C}$$
• نیروی لورنتس:  $$vec{F}= q (vec{E} + vec{v} times vec{B})$$
• اثر هال: $$R_{H}= frac{1}{nq}$$

ترمودینامیک چیست؟

ترمودینامیک شاخه‌ای مهم بین انواع فیزیک است که در ابتدای آن می‌آموزیم تفاوت دما و حرارت چیست. سپس رابطه گرما، انرژی و کار را محاسبه می‌کنیم که این محاسبات بر اساس قوانین ترمودینامیک انجام می‌شوند. کلیت این شاخه در این مورد است که انرژی بین سیستم‌های مختلف چگونه مبادله می‌شود و پارامترهایی مانند دما، حجم، فشار و حالت در این سیستم‌ها چطور تغییر می‌کنند. به این ترتیب یکی از معادلات بنیادی در ترمودینامیک قانون گاز کامل است:

$$PV = nRT$$

که در آن $$R$$ ثابت مهمی در فیزیک به نام ثابت جهانی گازها است. در ترمودینامیک چهار قانون مهم داریم:

• قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر دو سیستم جداگانه با سیستم سومی در تعادل گرمایی باشند، آن دو سیستم نیز با هم در تعادل گرمایی هستند.
• در قانون اول ترمودینامیک که بر پایه اصل بقا یا پایستگی انرژی است، می‌آموزیم که برای تمام تغییرات رخ داده شده در یک سیستم ایزوله شده، مقدار انرژی همواره ثابت باقی می‌ماند.
• قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند گرما از نقطه‌ای با دمای پایین‌تر به نقطه‌ای با دمای بالاتر جریان نمی‌یابد، مگر اینکه کار خارجی یا نیروی خارجی روی این سیستم اعمال شود.
• در قانون سوم ترمودینامیک  می‌آموزیم صفر شدن آنتروپی به این معنا است که سیستم در کمترین حالت بی‌نظمی خود یا در منظم‌ترین حالت ممکن خود قرار دارد.

مثال مهمی که در زمینه دومین قانون می‌توانیم ارائه کنیم، عملکرد تبرید در یخچال است.همچنین تعریف دیگر قانون دوم ترمودینامیک بر مبنای آنتروپی است. آنتروپی یک سیستم بیان‌گر میزان بی‌نظمی ذرات تشکیل‌دهنده آن است و موضوع اصلی قانون دوم نیز، کم نشدن آنتروپی یک سیستم ایزوله شده با گذر زمان است.

مکانیک آماری چیست؟

یادگیری ترمودینامیک به ما کمک می‌کند تا مبحث دیگری از انواع فیزیک به نام «مکانیک آماری» (Statistical Mechanics) را بهتر بیاموزیم. در مکانیک آماری فرآیند‌های آشوب‌ مولکولی ‌به کمک قوانین احتمال مطالعه می‌شوند و در سطوح پیشرفته‌تر نیز از قوانین مکانیک کوانتومی برای انجام این محاسبات استفاده می‌شود. به همین دلیل در این سطح مکانیک آماری، مکانیک آماری کوانتومی نامیده می‌شود. از جمله کاربردهای مکانیک آماری کوانتومی فیزیک پلاسما (مطالعه گازهای کاملا یونیزه شده) و بررسی ساختار ستاره‌ای است.

فیزیک مدرن و مکانیک کوانتومی چیست؟

در ادامه بررسی انواع فیزیک و پس از آشنایی با مباحث پایه و کلاسیکی می‌رسیم به فیزیک مدرن (فیزیک جدید) و سپس مکانیک کوانتومی. مطالعات و پیشرفت‌های علم فیزیک در قرن بیستم و پس از آن به گونه‌ای پیش رفته است که تنها با استفاده از مفاهیم کلاسیکی نمی‌توان به توضیح مفاهیم و پدیده‌های مشاهده شده پرداخت. در نتیجه فیزیک مدرن با تمرکز بر دو شاخه مهم به نام «نسبیت» (Relativity) و «مکانیک کوانتومی» (Quantum Mechanics) توسعه داده شد.

طبق نمودار بالا، می‌توانیم بگوییم هرگاه گرانش نیروی قوی و برتر است، یا زمانی که اجسام یا ذراتی با سرعت‌های بسیار بالا در حد سرعت نور را مطالعه می‌کنیم، در شاخه نسبیت از انواع فیزیک قرار داریم. همچنین اگر بخواهیم دنیای اتم‌ها و ذرات زیراتمی را مطالعه کنیم، لازم است قواعد کوانتومی را برای محاسبات خود بکار ببریم. در ادامه این بخش با موضوعات مهم این دو حوره به‌صورت مختصر آشنا خواهیم شد.

نسبیت چیست؟

$$E = hnu =mc^2$$

نظریه نسبیت خاص در بررسی حرکت اجسامی با سرعت ثابت بکار می‌رود، به‌ویژه زمانی که با سرعت‌های بالایی نزدیک سرعت نور سروکار داریم. در این حالت دو پدیده مهم به نام «اتساع زمان» و «انقباض طول» رخ می‌دهد. انیشتین در ادامه مطالعات خود در سال ۱۹۱۵ میلادی نظریه دوم نسبیت خود را با عنوان «نظریه نسبیت عام» مطرح کرد. این نظریه توضیح می‌دهد گرانش چگونه کار می‌کند. پیش از اعلام این نظریه، فرض کلاسیکی بر این بود که نیروی گرانشی در قالب قانونی به نام قانون جهانی گرانش توضیح داده می‌شود.

اما در نسبیت عام گرانش فقط یک نیرو نیست، بلکه نوعی خمیدگی فضا – زمان است که با قرار گرفتن اجرام سنگین به‌ وجود می‌آید. این نظریه به فیزیکدان‌ها کمک کرد تا بتوانند به بررسی و مطالعه موضوعاتی مانند سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی بپردازند.

مکانیک کوانتومی چیست؟

اولین موضوع مهمی که در فیزیک کوانتوم با آن مواجه می‌شویم، دوگانگی موج – ذره است. طبق این نظریه می‌توانیم برای هر ذره ماهیت موج‌گونه و برای هر موج ماهیت ذره‌گونه در نظر بگیریم. در حقیقت بسته به نوع آزمایش و شرایطی که در حال مطالعه آن هستیم، ممکن است با یکی از این دو جنبه روبرو شویم. پس از مطرح شدن نظریه نسبیت خاص انیشتین، دانشمند دیگری در مورد نتایج حاصل از آزمایش برخورد اشعه X با الکترون‌ها صحبت کرد. این آزمایش که «اثر کامپتون» نام دارد، ماهیت ذره‌ای امواج را اثبات می‌کند.

در مقابل فیزیکدان دیگری به نام لوئیس دوبروی نشان داد که هر ذره‌ای مانند الکترون می‌تواند موجی با طول‌موجی به نام «طول‌موج دوبروی» ($$lambda = frac{h}{mv}$$

این نظریه منجر به شکل‌گیری مدل کوانتومی اتم شد که در آن برای هر الکترون یک تابع موج در نظر گرفته می‌شود. به این ترتیب محاسبات ویژ‌ه مقادیر انرژی و حل سایر مسائل کوانتومی با نوشتن معادله معروفی به نام «معادله شرودینگر» امکان‌پذیر است. مبحث مهم بعدی در این شاخه «اصل عدم قطعیت هایزنبرگ» است که طبق آن نمی‌توانیم دقیقا و به‌ صورت همزمان مشخص کنیم یک ذره که رفتار موج‌گونه از خود نشان می‌دهد، در چه مکانی قرار گرفته و چه سرعتی دارد:

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

مفهوم مهم دیگری که نظریه کوانتومی بر مبنای آن توسعه پیدا می‌کند، مفهوم کوانتیدگی یا گسسته بودن انرژی است، به این معنا که ذرات مختلف انرژی را در قالب بسته‌هایی به مثابه یک ذره (فوتون) جذب یا گسیل می‌کنند. به هر یک از این بسته‌‌های انرژی یک کوانتوم انرژی یا کوانتا گفته می‌شود. تصویر زیر نشان می‌دهد که چگونه یک الکترون با دریافت انرژی از فوتون تابیده شده به ماده می‌تواند حالت خود را از پایه به برانگیخته تغییر دهد. عکس این فرآیند با گسیل فوتون همراه است:

کوانتومی بودن سطوح انرژی در این فرآیندها باعث می‌شود تا فقط در صورت برابر بودن انرژی فوتون با اختلاف انرژی بین دو سطح نشان داده شده در شکل بتوانیم جذب یا گسیل در مواد داشته باشیم. در ادامه نظریه کوانتومی آزمایش معروفی به نام «گربه شرودینگر» مطرح شد که هدف از انجام آن رسیدن به این نتیجه است: مادامی که مشاهده یا اندازه‌گیری کوانتومی انجام نشود، هر ذره می‌تواند دو یا چند حالت به‌صورت همزمان داشته باشد. توسعه مکانیک کوانتومی به فیزیکدان‌ها کمک کرد تا بتوانند فیزیک نیمه‌رساناها و چگونگی انجام محاسبات کوانتومی در کامپیوترهای کوانتومی را توضیح دهند.

اپتیک چیست؟

موضوع این شاخه از انواع فیزیک مطالعه ویژگی‌ها و رفتار نور است. در اپتیک یا فیزیک نور به بررسی موضوعات ساده‌ای مانند انعکاس نور از یک سطح فلزی برای ایجاد تصویر گرفته تا مباحث پیچیده‌تری مانند برهم‌کنش چند لایه پوشش‌دهی شده به منظور ایجاد یک فیلتر ناچ با چگالی اپتیکی بالا پرداخته می‌شود.

برای شروع این شاخه لازم است ابتدا با اصول و پدیده‌های بنیادی مطرح شده در آن آشنا شویم که شامل مباحث نمودار زیر است. پس از تسلط بر این مباحث می‌توانیم عملکرد قطعات اپتیکی و شاخه‌های دیگر اپتیک مانند فوتونیک را بهتر متوجه شویم. در ادامه این بخش به توضیح مختصر پدیده‌هایی مانند شکست، انعکاس و … خواهیم پرداخت.

طیف الکترومغناطیسی چیست؟

$$c =lambdanu$$

این طیف گستره‌ای از امواج با طول‌موج‌های بالا (امواج رادیویی) تا امواجی با طول‌موج کوتاه (اشعه گاما) را شامل می‌شود و نور مرئی از لحاظ طول‌موج به‌عنوان یکی از بخش‌های میانی این طیف در نظر گرفته می‌شود. طو‌ل‌موج‌هایی که در بیشتر مسائل اپتیکی با آن‌ها سروکار داریم در محدوده امواج فرابنفش (UV)، نور مرئی و مادون‌قرمز (IR) قرار می‌گیرند. جدول زیر مشخصات این سه موج و برخی از کاربردها یا آثار آن‌ها را توضیح می‌دهد:

انعکاس چیست؟

انعکاس، بازتاب یا Reflection نام یک پدیده اپتیکی مهم است که طی آن نور یا هر موجی مانند صدا به مانعی برخورد کرده و با زاویه خاصی از آن برمی‌گردد. انعکاس بر اساس یک قانون مهم کار می‌کند، موج فرودی و بازتاب شده هر دو زاویه برابری با سطح برخورد دارند. در حالت ایده‌آل، اگر سطح برخورد کاملا هموار و صاف باشد، تمام پرتوهای منعکس شده با هم موازی هستند و در حقیقت یک طیف انعکاسی خواهیم داشت.

شکست چیست؟

در ادامه بررسی انواع فیزیک در این بخش می‌آموزیم که اگر موجی پس از برخورد به یک سطح یا مانع وارد محیط دیگری شود، در این صورت شکست یا Refraction رخ داده است. اندازه شکست به طول‌موج نور یا موجی که به فصل مشترک دو محیط برخورد کرده است و همچنین ضریب شکست محیط دوم بستگی دارد. فرمول معروف شکست نور به شکل زیر است که طبق آن ضریب شکست برابر می‌شود با نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در محیط:

$$n = frac{c}{v}$$

اگر فرمول بالا را برای دو محیط با ضریب شکست‌های مختلف بسط دهیم، به قانون اسنل می‌رسیم. تصویر زیر تفاوت مسیر نور را در سه پدیده مهم اپتیکی یعنی انعکاس، شکست و پراش نشان می‌دهد:

پراکندگی چیست؟

پراکندگی، پاشش یا Dispersion نشان‌ می‌دهد که ضریب شکست یک ماده چگونه با طول‌موج تغییر می‌کند. یکی از معروف‌ترین پدیده‌ها در همین زمینه جداسازی طول‌موج‌های مختلف نور در یک منشور است. پارامتر مهمی که در اندازه‌گیری و کمی‌سازی پراکندگی به کمک می‌کند، «عدد آبه» است که به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

$$v_d = frac{n_d -1}{n_f-n_c}$$

تداخل چیست؟

پیش از اینکه ببینیم تداخل یا Interference به‌عنوان یکی از مهم‌ترین موضوعات در اپتیک چگونه ایجاد می‌شود، ابتدا لازم است کمی در مورد ماهیت نور توضیح دهیم. نیوتن اولین فیزیکدانی بود که در مورد ماهیت نور صحبت کرد و معتقد بود نور از ذرات بسیار کوچکی ساخته شده است. یک قرن بعد، دانشمند دیگری به نام «توماس یانگ» (Thomas Young) نظریه دیگری در مورد نور مطرح کرد که بر اساس آن نور ماهیت موج‌گونه داشت. او نظریه خود را در قالب آزمایش معروفی به نام «آزمایش دو شکافی یانگ» اثبات کرد.

در این آزمایش نور پس از خروج از روزنه اولیه، از دو شکاف نزدیک به هم عبور می‌کند و همان‌طور که ملاحظه می‌کنید، تداخل‌های سازنده و ویرانگر امواج کروی باعث تشکیل نواحی تیره و روشن روی پرده می‌شود. تشکیل این الگوی تکراری از نواحی روشن و تاریک نشان‌دهنده تداخل و در نتیجه ماهیت موجی نور است. بنابراین توضیح چنین پدیده‌ای با ماهیت ذره‌ای نور امکان‌پذیر نیست. در حال حاضر می‌دانیم که نور دارای یک ماهیت دوگانه موج – ذره است و در اپتیک، مشخصه موجی نور مهم است، در حالی که در سایر انواع فیزیک مانند مکانیک کوانتومی ماهیت ذره‌ای نور مهم می‌شود.

بنابراین تداخل زمانی رخ می‌دهد که دو یا چند موج به هم اضافه شده و یک الگوی جدید بسازند. اگر قله‌‌ها و دره‌های این امواج کاملا بر هم منطبق شوند، تداخل سازنده داریم اما اگر قله یک موج با دره دیگری منطبق شود، تداخل ویرانگر است. تداخل سازنده نواحی روشن‌تر و تداخل ویرانگر نواحی تیره‌تری روی پرده ایجاد می‌کنند. به این صورت می‌توانیم الگوی تداخلی متشکل از نواحی تیره و روشن را روی پرده به‌عنوان خروجی و نشانه تداخل مشاهده کنیم. تداخل فقط در مورد امواج الکترومغناطیسی نیست، بلکه در امواج مکانیکی مانند صدا هم مشاهده می‌شود. تداخل سازنده دو موج صوتی باعث می‌شود صدا را بلندتر بشنوید، در حالی که اگر دو موج صوتی تداخل ویرانگر داشته باشند، ممکن است صدایی نشونید.

پراش چیست؟

آخرین مبحث این بخش از مطلب انواع فیزیک اختصاص دارد به توضیح پدیده پراش یا Diffraction. هرگاه موج یا نور از یک شکاف باریک عبور کند یا یک مانع یا لبه تیز را دور بزند، پراش رخ داده است. همچنین پراش توسط آزمایش دو شکافی یانگ و به کمک تداخل نیز توضیح داده می‌شود. در عمل هر چه اختلاف بین طول‌موج نور و اندازه شکاف یا ابعاد مانع بیشتر باشد، پراش محسوس‌تری داریم. برای آشنایی بیشتر با این موضوع، پیشنهاد می‌کنیم مطلب «پراش چیست؟ – به زبان ساده» از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

فیزیک ماده چگال چیست؟

در بخش دیگری از معرفی انواع فیزیک و گرایش‌‌های آن، می‌خواهیم ببینیم در فیزیک ماده چگال مطالعه روی کدام گروه از مواد انجام می‌شود و چه دستاوردها و کاربردهایی تاکنون از این حوزه به‌دست آمده است. فیزیک ماده چگال یا Condensed Matter Physics شاخه بسیار متنوعی است که ویژگی مشترک تمام موضوعات آن مطالعه مواد در حالت جامد و مایع است. این مطالعات می‌تواند هم روی جامدات بلورین (کریستالین) و هم روی جامدات آمورف (بی‌شکل) و برخی مایعات انجام شود. در یک جامد بلورین اتم‌ها در فواصل مشخصی از هم و در یک شبکه سه بعدی تکرارشونده کنار هم قرار گرفته‌اند، اما در یک جامد بی‌شکل مانند شیشه، چنین نظمی دیده نمی‌شود.

اگر بخواهیم کلی‌تر به موضوعات این شاخه نگاه کنیم، در حقیقت هدف این است که ببینیم اگر تعداد خیلی زیادی از اتم‌ها و الکترون‌ها در کنار هم به‌صورت چگال یا پک شده و با فواصل کم قرار بگیرند، چه ویژگی‌ها یا خواصی خواهیم داشت. نمودار زیر نشان می‌دهد چه گروه‌هایی از مواد در این حوزه مطالعه و بررسی می‌شوند:

به این ترتیب در فیزیک ماده چگال به این می‌پردازیم که برای مثال نحوه قرارگیری اتم‌ها در یک شبکه بلوری چگونه است، حرکت الکترون‌ها در یک شبکه فلزی یا یک نیمه‌رسانا به چه صورت است و چگونه می‌توانیم خواص مهمی مانند رسانایی الکتریکی داشته باشیم. همچنین مطالعه روی خواصی مانند خواص مغناطیسی، سختی، انعطاف‌پذیری یا شفافیت مواد در این گرایش از فیزیک انجام می‌شود. بین مباحث این شاخه از انواع فیزیک و رشته‌هایی مانند الکترونیک یا مهندسی مواد شباهت‌های زیادی وجود دارد.

فیزیک اتمی چیست؟

فیزیک اتمی شاخه دیگری از انواع فیزیک است که در آن به مطالعه ساختار اتم‌ها ‌به‌عنوان یک سیستم منفرد و مجزا که متشکل از الکترون‌ها و یک هسته اتمی است، پرداخته می‌شود. در بخش‌‌های ابتدایی فیزیک اتمی نحوه قرارگیری الکترون‌ها حول هسته و فرآیند‌هایی که در آن‌ها این نوع چیدمان تغییر می‌کند، بررسی می‌شود. بررسی و مطالعه شکل‌گیری یون‌ها نیز در این حوزه قرار می‌گیرد. یادگیری فیزیک اتمی در درک بهتر فیزیک مولکول‌ها موثر است، اما در حوزه مولکولی موضوعاتی مانند خواص فیزیکی مولکول‌ها نیز جزء مباحث موردبررسی است.

می‌دانیم هر اتم متشکل است از یک هسته کوچک اما بسیار سنگین که توسط ابر الکترونی شامل الکترون‌هایی با سرعت بالا احاطه شده است. هسته اتم همان‌طور که در بخش فیزیک هسته‌ای به‌عنوان یکی از انواع فیزیک اشاره خواهد شد، از دو ذره زیراتمی به نام پروتون و نوترون ساخته شده است. شعاع نوعی هسته از مرتبه $$10 ^{-14}$$ است و توسط فرمولی به شکل زیر می‌توان مقدار دقیق آن را محاسبه کرد:

$$r = r_0. A^{frac{1}{3}}$$

که در آن $$r_0 = 1.2 times 10 ^{-15} m = 1.2 fm$$

محاسبات بالا مقدمات اولیه یکی از مفاهیم مطرح شده در فیزیک اتمی با عنوان انواع شعاع و تعاریف آن‌ها است. برای مثال، شعاع واندروالسی یک اتم را به شکل شعاع یک کره فرضی در نظر می‌گیریم که نزدیکترین فاصله آن اتم را با اتم دیگر نمایش می‌دهد (شعاع واندروالسی اتم اورانیوم برابر است با $$186 pm$$). مبانی این شاخه از انواع فیزیک شامل مباحث زیر است:

• بررسی ساختار اتم
• بررسی حرکت‌ الکترون‌ها و نحوه برهم‌کنش آن‌ها
• نحوه جذب یا گسیل انرژی توسط اتم‌ها

در بررسی برهم‌کنش‌ الکترون‌‌ها فیزیک اتمی همان مطالعات کوانتومی است که بر اساس آن هر اتم دارای سطوح کوانتیده یا ترازهای انرژی مجزا از هم است که به آن‌ها پوسته یا اوربیتال نیز گفته می‌شود. به این ترتیب الکترون‌ها می‌توانند با جذب یا گسیل فوتون‌های انرژی بین این ترازها جابجا شده یا اصطلاحا پرش داشته باشند. این نکته توضیح می‌دهد که چرا اتم‌های مختلف اگر گرم شوند، به رنگ‌های مختلفی درمی‌آیند. همچنین تحلیل انواع روش‌های طیف‌سنجی که بر اساس تابش جذب یا گسیل شده از اتم‌های یک ماده اطلاعاتی از ساختار ماده به ما می‌دهند، با مطالعه این بخش از انواع فیزیک امکان‌پذیر است.

فیزیک هسته ای چیست؟

در این بخش از معرفی انواع فیزیک می‌خواهیم با یکی از مهم‌ترین شاخه‌های فیزیک یعنی فیزیک هسته‌ای یا Nuclear Physics آشنا شویم. همان‌طور که از عنوان این گرایش مشخص است، در فیزیک هسته‌ای مطالعه روی هسته اتم یا به‌طور دقیق‌تر روی اجزای تشکیل دهنده ماده شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها و برهم‌کنش‌هایی که بین این اجزا وجود دارد، متمرکز است. همچنین در فیزیک هسته‌ای مدرن، موضوعاتی مانند فیزیک ذرات نیز بررسی می‌شود. بنابراین می‌توانیم بگوییم بین این شاخه از فیزیک و فیزیک ذرات ارتباط نزدیکی وجود دارد.

برای اینکه درک بهتری از فیزیک هسته‌ای داشته باشیم، ابتدا باید با مبانی و اصول آن آشنا شویم. جهان فیزیکی اطراف ما از ترکیب ذرات زیراتمی و ذرات بنیادی مختلفی ساخته شده است که شناخت این ذرات، مبنای درک فیزیک هسته‌ای است. این ذرات کوچکترین اجزای تشکیل دهنده ماده محسوب می‌شوند و بررسی چگونگی برهم‌کنش‌های آ‌ن‌ها تحت عنوان یک مدل نظری به نام «مدل استاندارد» انجام می‌شود.

همچنین از فیزیک اتمی می‌دانیم که اتم‌ها از دو جزء اساسی به نام هسته و ابر الکترونی دور آن ساخته شده‌اند. خواص هسته‌ای شامل جرم اتمی و سطح مقطع‌ هسته‌ای عناصر مختلف توسط تعداد پروتون‌های داخل هسته (عدد اتمی) و تعداد نوترون‌های آن (عدد جرمی) تعیین می‌شوند. به‌علاوه مبحث پایداری هسته در فیزیک هسته‌ای به‌عنوان یکی از مهم‌ترین انواع فیزیک مطرح می‌شود که به ما در شناسایی پایداری یک ایزوتوپ کمک می‌کند. برای این منظور کافی است تنها نسبت نوترون‌ها به پروتون‌ها یا $$frac{N}{Z}$$

مفهوم بعدی «واپاشی پرتوزا یا واپاشی رادیواکتیو» (Nuclear Decay) است. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که یک اتم ناپایدار انرژی خود را از طریق گسیل یک تابش یونیزه شده از دست دهد. به‌علاوه نکته مهم در مطالعه فیزیک هسته‌ای این است که برهم‌کنش هر ذره به شکل متفاوتی است. بنابراین باید برهم‌کنش ذرات را به‌صورت جداگانه بررسی کنیم که در این زمینه، استفاده از مفهومی به نام واپاشی یا تابش به معنای جریانی از ذرات برای توصیف این برهم‌کنش‌ها گزینه مناسبی است.

به این ترتیب یک برهم‌کنش هسته‌ای ممکن است به‌صورت فرآیندی در نظر گرفته شود که در آن دو ذره هسته‌ای (دو هسته یا یک هسته و یک نوکلئون) به گونه‌ای با هم برهم‌کنش دارند که دو یا چند ذره هسته‌ای یا اشعه گاما تولید شود. کاربردهای فیزیک هسته‌ای به‌عنوان یکی از انواع فیزیک در حوزه‌های متنوعی است، از تولید انرژی گرفته تا پزشکی، مطالعه خواص مواد مختلف، مباحث امنیتی و اقلیم‌شناسی. در ادامه این بخش دو مورد از واکنش‌‌های هسته‌ای را که در حالت کلی به‌صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند، توضیح خواهیم داد:

• پراکندگی کشسان
• پراکندگی غیرکشسان
• واکنش‌‌های گیراندازنده
• واکنش‌‌های انتقال
• واکنش‌های همجوشی
• واکنش‌های شکافت
• واکنش‌های اسپلاسیون
• واپاشی هسته‌ای

شکافت هسته‌ ای چیست؟

شکافت هسته‌ای یا Nuclear Fission نوعی واکنش هسته‌ای است که در آن یک هسته سنگین اتمی به اجزای کوچکتر (هسته‌های سبکتر) شکسته می‌شود. طی این واکنش اغلب نوترون‌های آزاد، فوتون‌هایی به فرم اشعه گاما و مقدار خیلی زیادی انرژی آزاد می‌شود. در فیزیک هسته‌ای، شکافت هسته‌ای ممکن است یک واکنش هسته‌ای یا یک نوع فرآیند واپاشی رادیواکتیو در نظر گرفته شود. تصویر زیر نوعی شکافت هسته‌ای را نشان می‌دهد که در مطالعه فیزیک راکتورها از اهمیت بالایی برخوردار است.

همان‌طور که ملاحظه می‌کنید، در این فرآیند که به کمک نوترون حرارتی رخ می‌دهد، نوترون‌ حرارتی با طول پخش و سرعت مشخصی به هسته اورانیوم ۲۳۵ برخورد می‌کنند. محصولات این نوع شکافت هسته‌ای عبارت‌اند از اشعه گاما، نوترون‌های آزاد و سایر اجزایی که خود در ادامه منجر به واپاشی بتا خواهند شد. این اجزا عموما شامل دو یا سه هسته پر از نوترون و ناپایدار‌ هستند که از طریق واپاشی بتا به تولید الکترون، اشعه گاما و آنتی‌نوترینو منجر می‌شوند. شکافت هسته‌ای یکی از مهم‌ترین فرآیندهای موثر در تولید انرژی هسته‌ای است. همچنین بیشتر انرژی آزاد شده طی این فرآیند یعنی چیزی حدود ۸۵٪ در قالب انرژی جنبشی اجزای شکافته شده نمایش داده می‌شود.

به‌علاوه مشاهده کردید که عامل تحریک و ایجاد شکافت هسته‌ای نوترون‌های حرارتی هستند. اگر مطابق شکل بالا شکافت هسته‌ای همراه با یک یا چند واکنش هسته‌ای دیگر نیز باشد، آن را یک «واکنش زنجیره‌ای» نیز می‌توان نامید. اینکه چقدر احتمال رخ دادن شکافت هسته‌ای وجود دارد، به انرژی نوترون‌ فرودی وابسته است. به همین علت است که معمولا برای کنترل نوترون فرودی و کاهش سرعت آن از یک تعدیل کننده در مسیر نوترون استفاده می‌شود تا احتمال وقوع شکافت هسته‌ای افزایش یابد.

در این زمینه برای راکتورهایی که از آب سبک به‌عنوان تعدیل کننده استفاده می‌کنند، سوخت اورانیوم غنی شده موردنیاز است. پس تا اینجا آموختیم که شکافت هسته‌ای به عنوان یکی از مهم‌ترین واکنش‌های هسته‌ای در مسیر یادگیری انواع فیزیک چیست. همچنین بهتر است اضافه کنیم که شکافت ممکن است به‌صورت خود به خودی رخ دهد. اما در مورد هسته‌هایی مانند اورانیوم ۲۳۵ یا اورانیوم ۲۳۳ یا پلاتینیوم ۲۳۹ شکافت یک فرآیند هسته‌ای زنجیره‌ای است. علت وقوع شکافت زنجیره‌ای در این مثال‌ها این است که یکی از محصولات چنین فرآیندهایی نوترون است و خود این نوترون‌‌‌های تولید شده می‌توانند مجددا منجر به شکافت هسته‌های دیگری شوند. در کاربرد، با استفاده از تجهیزات مختلف می‌توان تعداد این واکنش‌های شکافت هسته‌ای زنجیره‌وار را بر اساس هدف موردنظر کنترل کرد.

همجوشی هسته ای چیست؟

همجوشی هسته‌ای یا Nuclear Fusion در فیزیک هسته‌ای به معنای نوعی واکنش هسته‌ای است که در آن دو یا چند هسته اتمی با انرژی خیلی بالا به هم برخورد می‌کنند و یک هسته جدید مانند هلیوم شکل می‌گیرد. اگر هسته‌های سبک با هم همجوشی کنند، این واکنش همراه با تولید انرژی بالایی خواهد بود، چرا که جرم ترکیب این هسته‌ها از مجموع جرم‌های هسته‌های ابتدایی کمتر است. برای عناصری مانند اورانیوم یا توریوم همجوشی همراه با تولید انرژی است. در همین راستا بد نیست به این نکته اشاره کنیم که انرژی راکتورهای شکافت هسته‌ای در مقایسه با همجوشی هسته‌ای یا واکنش‌های شیمیایی بسیار بالاتر است. اختلاف انرژی هسته‌ای در فرآیند شکافت نسبت به همجوشی به اندازه‌ای است که می‌توان از انرژی آن به عنوان یک منبع پایان‌ناپذیر انرژی استفاده کرد.

یادگیری نرم‌افزارهای کاربردی در فیزیک با فرادرس

در حال حاضر یکی از مهم‌ترین جنبه‌های یادگیری انواع فیزیک این است که علاوه‌بر تسلط بر مبانی و اصول تئوری بتوانید در بخش‌های آزمایشگاهی یا نرم‌افزاری هر گرایش نیز موفق عمل کنید. این نرم افزارها به شما کمک می‌کنند در کنار انجام آزمایش بتوانید به تجزیه و تحلیل داده‌ها، حل سریع‌تر و دقیق‌تر یا شبیه‌سازی مسئله خود بپردازید. به همین علت در این بخش قصد داریم چند فیلم آموزشی در زمینه معرفی و کار با نرم‌افزارهای کاربردی در فیزیک به شما معرفی کنیم:

فیزیک ذرات چیست؟

در انتهای این مطلب از مجله فرادرس می‌رسیم به آخرین مورد از انواع فیزیک که به بررسی و مطالعه کوچکترین اجزای سازنده مواد و اتم‌ها و نیروهای بین آن‌ها می‌پردازد. اگر با قدرت نیرو‌های هسته‌ای به‌عنوان دو مورد از چهار نیروی بنیادی در طبیعت آشنا باشید، می‌توانید حدس بزنید که چرا به این گرایش فیزیک انرژی‌های بالا نیز گفته می‌شود. پس در این شاخه به مطالعه بنیادی اجزای سازنده جهان هستی می‌پردازیم. ذرات بنیادی در فیزیک ذارت به شکل زیر معرفی می‌شوند:

اگر بخواهیم یک معرفی کوتاه از این ذرات داشته باشیم، باید بگوییم که کوارک‌ها ذرات سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. نمونه آشنای یک لپتون، الکترون است و بوزون‌ها ذراتی حامل انرژی یا نیرو هستند. برای مثال، فوتون برای نور یا گلوئون برای نیروی قوی هر دو نوعی بوزون محسوب می‌شوند. همچنین نیروهای بنیادی در فیزیک ذرات به شکل زیر معرفی می‌شوند:

• گرانش
• الکترومغناطیس
• نیروی هسته‌ای قوی یا نیروی قوی
• نیروی هسته‌ای ضعیف یا نیروی ضعیف

به این ترتیب در مدلی به نام مدل استاندارد که در فیزیک هسته‌ای هم به آن اشاره شد، می‌توانیم این ذرات و ذرات حامل‌ نیرو یا انرژی برای آن‌ها را مرتب کرده و در جدولی مانند جدول تناوبی عناصر به مطالعه آن‌ها بپردازیم. مطالعه فیزیک ذارت در مراحل پیشرفته‌‌تر و با بهره‌گیری از محاسبات نظریه کوانتومی میدان به بررسی مباحثی مانند بوزون هیگز و پادماده می‌رسد. تصویر بالا یک جمع‌بندی کامل از نظریات مختلفی را ارائه می‌دهد که از دو جنبه سرعت و ابعاد ذرات به ما در شناخت منشا جهان هستی و میزان گستردگی آن کمک می‌کنند.