مقالات فیزیک

وبلاگ تخصصی فیزیک

الکترومغناطیس

MRI=magnetic resonance imaging

يكي از بهترين تكنيكهادر دنياي پزشكي در تشخيص بيماريها استفاده از تصويربرداري تشديد مغناطيسي(MRI)است كه بدون تابش اشعه ايكس مي توان اسكن هاي واضحي از بافتهاي مختلف بدن گرفت . پديده تشديد مغناطيسي اولين بار تو سط دو فيزيكدان بنامهاي فليكس بلاچ و ادوارد پاركل بطور جداگانه كشف گرديد با اين كشف انها در سال 1952 مفتخر به دريافت جايزه نوبل گرديدند. سرانجام در سال 1970 دكترريموند دامادين به اين فكر افتاد كه از فراواني اب در بدن براي تصوير برداري به روش تشديد مغناطيسي استفاده كند در اين روش براي ايجاد يك تصوير سه بعدي بدن از سه جهت تحت تابش يك ميدان مغناطيسي قوي قرار مي گيردكه شدت ان گاهي 60000 برابر شدت ميدان مغناطيس زمين مي باشد. وچون در تمام اندامهاي بدن به ميزان معيني اب وجوداردبديهي است كه هيدروژنهاي موجود در اب كه دوقطبي هستند تحت تاثيرميدان مغناطيسي قرار گيرندو تقريبا در يك جهت بخط شوندكهاگر در اين حالت به بدن امواج راديويي با فركانس معين بتابانيم سبب توليد يك جريان الكتريكي توسط هيدروژن خواهد شد و مي توان با يك تقويت كننده وكامپيوتر تصويري از ان ناحيه معين بوجود اورد. پزشكان با استفاده از اين تكنيك ارزشمند توانستند از بافتهاي مختلفي مانند مغز تصاوير واضحي بدست اورند در شكل زير يك اسكن از سر انسان بروش MRIرا ميبينيداگرتوموري در ان باشد ان تومور به صورت لكه اي در تصوير ظاهر خواهد شدكه رنگش با ساير نقاط سر متفاوت است زيرا ميزان هيدرژن تومور با ميزان هيدرژنهاي اطراف فرق ميكند بنابراين پس از تابش امواج راديويي سيگنالها ودر نتيجه تصوير مربوط به ان ايجاد مي شود امروزه پزشكان با استفاده از اين فناوري مي توانند با تشخيص محل لخته شدن خون در قلب و يا مغز از وقوع سكته در انسان جلوگيري كنند. هنگامي كه بيماري براي اسكن به اين روش اماده ميشود بايد دقت شود كه همراه وي هيچ گونه فلزي نباشد زيرا سبب اختلال در تصوير مي شود.همچنين افرادي كه در دستها يا پاهايشان پلاتين كار گذاشته شده ويا افرادي كه از باطريهاي قلب استفاده ميكنند نبايد از اين روش براي عكس برداري استفاده نمايند.زيرا وسايل فلزي تحت تاثير ميدان مي توانند در بدن حركت كنند.


تابش الكترومغناطيسي-تابش جسم سياه

تابش الكترومغناطيسي:

هر شي در نجوم بوسيله تابش الكترو مغناطيسي مشاهده مي شود بنابر اين توجه به برخي از مباني فيزيك درباره تابش وجذب لازم است .تابش الكترو مغناطيسي فقط يك موج متحرك در ميدان مغناطيسي و الكتريكي است كه در معادلات ماكسول به هم مربوط مي شوند.موج الكترو مغناطيسي باسرعت نور منتشر مي شود. C=2.998*108

حاصل ضرب طول موج و فركانس برابر سرعت نور است.

C = F * g

كه به صورت سنتي طيف سنجها طول موج را اندازه گيري مي كنند. با وسائل جديد تمام محدوده طيف قابل مشاهده است. تعدادي ازطول موجهايي كه فقط مي توانند در بالاي جو اندازه گيري شوند؛درفنآوري ماهواره اي به كارمي روند.

 تابش نور به چندطريق صورت مي گيرد:

 1-فرآيند پهن شدگي (فرآيند گرما يوني )-تابش جسم سياه. 2-تابش خطي . 3-تابش سينكروترون ناشي از بارهاي الكتريكي شتابدار. ما درباره’ مورد اول بحث خواهيم كرد

 تابش جسم سياه:

 جسم گرم در دماي مشخص T گستره پهني از امواج الكترو مغناطيس تابش مي كندو جسم گرمتر آبي تر تابش ميكند . براي مثال داخل زمين يك مخزن نور است كه مانند يك باطري ضعيف شده كم نورتر وقرمزتر است . اين مسئله در ابتداي قرن بيستم در فيزيك كلاسيك حل شده ويكي از موفقيتهاي مكانيك كوانتومي شكل گرفته بود. طيف تابش گسيل يافته براي فيزيك كلاسيك يك مشكل بزرگ بود . استفان و بولتزمن كشف كردند كه تمام گرماي تابش شده بوسيله سطح جسمي با مساحت A و دمايT برابر است با:

 Q=AsT4 s =5.67*108

شدت تابش درواحد حجم كه تابع طول موج است ،اندازه گيري شد. موقعيت ماكزيمم ناگهاني در طيف ،توسط قانون جابجايي وينز ((Wiens تشريح شد و مكان بيشترين شدت در طول موج

^10 *2.9 كه در آن Tدر مقياس كلوين است. بنابرا ين طول موج تابش گسيل يافته، نظريه تابشي جسم را ارائه مي دهد. تلاشهاي رايلي (Rayleigh)براي توضيح مشاهدات از نظر كلاسيكي نا موفق بود .او محاسباتي انجام داد با اين فرض كه موجها درون كاواك قرار بگيرند وتابش گريزي از سوراخ كوچكي در ديواره كاواك را بدست آورد.فقط طول موجهايي مجازبودند كه دقيقا موج بر ديواره كاواك قرار مي گرفت (ديواره كاواك مكان گره ها بود).

 رايلي فرض كرد كه هر گونه طول موج داراي انرژي KT است( K ثابت بولتزمن است).محاسبات پش بيني مي كرد كه در دماي T تابندگي (شدت تابش ) به طول موج وابسته است.

 I(l)= T/landa^4

فرض بالا يك مشكل دارد؛وقتي طول موج صفر مي شود شدت بينهايت مي گرددواين مساله به عنوان فاجعه فرابنفش شناخته شد. در سال 1900م.پلانگ اين مشكل را با گسسته فرض كردن تابش الكترو مغناطيسي حل كرد.او فرض كرد كه تابش بوسيله نوسانگرهاي الكترو مغناطيسي درون ديواره كاواك توليد ميشود.انرژي نوسانگرها فقط مي توانست به صور ت گسسته مضربي از بسامد باشدn=0,1,2,3,… ; E=nhn. محا سبات پلانگ تفاوت بنيادي با محاسبا ت رايلي داشت كه مقادير انرژي را پيوسته فرض كرده بود. محاسبات پلانك تابندگي در طول موج خاص را بصورت زير داد:

 I(l)=2*π*h*c^2/[l^5[exp(hc/lkT)-1]]

فرم بالاقانون استفان بولتزمن و قانونوينز را تاييد مي كند . در طول موجهاي زياد فرمول بال منجر به نتايج رايلي مي شود. در واقع در اندازه گيري دماي يك ستاره نوعي طيف سنجي يا نور سنجي ميتواند به كار رود. مقايسه بين تابندگي نسبي مقدار نور گسيل شده يك ستاره در دو طول موج:. اين نسبت مشخصه دمايي است بنابر اين اندازه گيري تمام طيف جسم سياه الزامي نيست.چون تابندگي در هر دماي مشخص به طور نسبي در شدت 550 nm بهنجار شده است.called V or Visual Band اندازه گيري دوم در تابندگي 440nm (( called B or Blue band )) اندازه گيري دما را ممكن ميسازد.


چرا ميدان مغناطيسي زمين عوض مي شود؟

ميدان مغناطيسي يا آهنربايي كره زمين در حال ضعيف شدن است. اگر اين كاهش در شدت ميدان با همين اهنگ به پيش رود ظرف 1200 سال آينده قطب نماهاي سراسر دنيا از كار خواهند افتاد تا مدتي به طرف همه جا ولي در واقع هيچ جا منحرف خواهند شد. سپس به آهستگي پس از گذشت دهها يا صدها سال بار ديگر همراستا خواهند شد اما اين بار به سمت جنوب.

 نتيجه اين مي شود كه ميدان مغناطيسي زمين وارونه خواهد شد اين اتفاق پسشتر نيز بارها روي داده است. زمين شناسان در سنگ هاي مغناطيسي چندين ميليون ساله قرايني يافته اند كه اين را تاييد مي كند. روشن است كه اين پديده بيانگر مطلب بسيار مهمي درباره هسته دروني زمين است.اما پرسش اينجاست كه اين مطلب مهم چيست؟ هسته زمين از آهن و نيكل تشكيل شده كه بخش عمده اي از انها به حالت گداخته وجود دارد اين مايع فلزي پيوسته در جنبش است و اين جنبش به نحوي جريانهاي الكتريكي به وجود مي اورند كه ميدان مغناطيسي زمين را ايجاد مي كنند. جزئيات اين فعاليت فلزي گداخته و تغييراتي كه در ميدان مغناطيسي زمين بوجود مي اورد هنوز روشن نشده است برخي از سرنخ هايي كه درباره رويدادهاي درون زمين در اختيار داريم از بررسي ساختار بيروني اين ميدان بسيار گسترده بدست آمده اند اين ميدان زمين را در محاصره خود دارد و تا صدها هزار كيلومتر در فضا ادامه دارد. ميدان مغناطيسي را مي توان به صورت مجموعه اي از خط هاي فرضي تصور كرد كه در فضا از قطب جنوب در جنوبگان تا قطب شمال در كانادا قوس مي زند و سپس در درون هسته زمين ادامه مي يابد تا بار ديگر از قطب جنوب سر در آورد. ميدان مغناطيسي زمين همواره نابسامان است. قطب هاي مغناطيسي زمين 11 درجه با قطب هاي جغرافيايي زمين فاصله دارند در اين ميدان پيچش ها و خميدگي هايي وجود دارد كه در آن نواحي ممكن است جهت عقربه قطب نما حتي تا 20 درجه از شمال حقيقي فاصله داشته باشد. دريانوردان اين نواحي را از قرن يازدهم هجري تا كنون نقشه برداري كرده اندتا مبادا قطب نماهايشان آنان را از مسير واقعي منحرف كند. از روي نوشته هاي آنان در ميابيم كه شدت ميدان مغناطيسي زمين افت و خيز بسيار زيادي دارد.و سالانه در حدود 20 كيلومتر به طرف غرب جابجا مي شود در نظر دانشمندان امروزي اين بدان معناست كه مايع گداخته هسته زمين با سرعتي در حدود نيم ميليمتر در ثانيه در حركت است. يعني در روز تقريبا مسافتي برابر نصف طول زمين فوتبال را مي پيمايد. زمين فيزيكدانان در مقياس گسترده تر با بررسي مغناطيس هايي كه در گدازه هاي منجمد باستاني محبوس شده اند ردپاي ميدان مغناطيسي زمين را 30 تا 50 ميليون سال گذشته دنيبال كرده اند همچنانكه سنگ ها گداخته مي شوند اتم هاي آهن موجود در آنها تمايل مي يابند با راستاي ميدان مغناطيسي ان دوره همراستا شوند. اين مدارك نشان مي دهد كه در گذشته ميدان مغناطيسي زمين در فاصله هاي زماني نامعين از 30 هزار سال گذشته تا 1 ميليون سال وارونه شده است. ميدان از اين رو به آن رو مي شود. يعني در مدت نزديك به 100 هزار سال ضعيف مي شود و سپس در جهت ديگر افزايش مي يابد.

 بسياري از زمين شناسان كه درباره علت وارون شدن ها بررسي مي كنند اكنون معنقدند كه ميدان مغناطيسي ضعيفي كه بر سطح زمين مي سنجيم ( آن قدر ضعيف كه آهنرباي نعلي شكل اسباب بازي هم 100 برابر از آن نيرومند است) تنها مشتي از خروار است. بخش عمده از فعاليت مغناطيسي زمين در هسته آهني و نيكلي آن صورت مي گيرد برابر مقبول ترين توضيحي كه براي اين مساله ارائه شده و به نظريه دينامو معروف است بخشي از ميدان كه در هسته زمين امتداد دارد در مايع باردار و گداخته آن محبوس شده و با چرخش زمين كشيده مي شود. درنتيجه به طور مستقيم از هسته نمي گذرد بلكه بارها دور هسته پيچيده مي شود تا مانند دسته اي از كش هاي محكم تشكيل خطوط شار نيرومندي را بدهد. بنابر اين نظريه جريان همرفتي فلز گداخته كه از اعماق هسته بالا مي آيد حلقه هاي كوچكي از اين ماده مغناطيسي دور هم پيچيده را به سطح مي راند كه از اينجا به فضا امتداد مي يابند و تشكيل ميدان آشنايي را مي دهد كه مي سنجيم. سپس يك بار ديگر به درون هسته شيرجه مي روند و سخت دور هسته پيچيده مي شوند بدين ترتيب ميدان خود را نگه مي دارند. در اين فرضيه درباره اينكه چه چيزي ممكن است باعث وارونه شدن ميدان شود چنين استدلال مي شود كه طبيعت غير قابل پيش بيني جريان همرفتي كه نقش دارد. اگر در يك نقطه چند حلقه بيشتر از نقطه ديگر جمع شود ذره هاي ميدان كه به سطح مي رانند در جهت مخالف حلقه مي زنند. احتمال ديگر آن است كه اين وارونه شدن ها به هيچ وجه كاتوره اي و تصادفي نيست. و اگر اطلاعات كافي داشتيم مي توانستيم آن ها را پيش گويي كنيم و شايد بر همكنش هاي الكترومغناطيسي مايع جوشان درون زمين چندان پيچيده اند كه وارونگي تصادفي به نظر مي رسد اگر چنين باشد شايد روزي دانشمندان بتوانند به ما بگويند كه وارونگي بعدي چه هنگام رخ مي دهد اما اكنون تنها كاري كه مي توانيم بكنيم اين است كه قطب نماهايمان را تماشا كنيم و حدس بزنيم در دل گداخته زمين چه مي گذرد.

+ نوشته شده در  شنبه چهاردهم مهر 1386ساعت 22:17  توسط مهرداد بصیری  |