لیزر چگونه کار می‌کند؟

"جنگ ستارگان"، "پیشتازان فضا" و "نبردهای بین کهکشانی" – فناوری لیزر نقشی محوری در فیلم های علمی تخیلی بازی می کند. شکی نیست که این فیلم ها باعث شده اند لیزر با جنگ افزارهای آینده ارتباط نزدیکی پیدا کند.

اما لیزر نقشی مهم در زندگی روزمره ما نیز دارد. از سی دی خوان ها گرفته تا مته های دندانی و برش فوق سریع فلزات تا سیستم های اندازه گیری پیشرفته همه جا از فناوری لیزر استفاده می شود. برداشتن خالکوبی ها، کاشت مو، جراحی چشم و ... همه از انواع مختلفی لیزر استفاده می کنند.

اما لیزر چیست؟ چه چیزی لیزر را از یک پرتو نور معمولی متمایز می سازد؟ لیزرها چگونه رده بندی می شوند؟

لیزر و ساختار اتم

هر مداری از یک الکترون که به دور هسته اتم خود می گردد، با سطحی از انرژی مرتبط است. وقتی به اتمی انرژی داده شود، برخی الکترونهای ان به سطح انرژی بالاتری می روند. الکترونی که به مداری با سطح انرژی بالاتر رفته تمایل دارذ به وضعیت اصلی خود باز گردد. در این صورت انرژی جذب شده را به صورت یک فوتون (ذرات تشکیل دهنده نور) آزاد می کند.

آزاد شدن فوتوه توسط اتم ها را تقریبا همیشه می توانیم ببینیم. وقتی المنت حرارتی یک دستگاه توستر سرخ می شود، این رنگ توسط اتمهای برانگیخته شده توسط حرارت ایجاد شده که فوتونهایی با طول موج قرمز ساتع می کنند. تصویری که روی صفحه نمایش تلویزیون دیده می شود در اثر نورهایی با رنگ های مختلف است که از اتمهای فسفر برانگیخته ساتع می شوند.

هرچه که تولید نور می کند – نور فلورسان، چراغ گاز، لامپ حبابی – آن را از طریق عمل الکترونهایی انجام می‌دهد که مدار خود را تغییر داده و فوتون آزاد می کنند.

لیزر ابزاری است که روش آزاد کردن فوتونها توسط اتمهای برانگیخته را کنترل می کند. لیزر مخفف عبارت "تشدید نور توسط انتشار تابش تحریک شده" (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) است.

لیزر چگونه تولید می‌شود؟

کلید اصلی تولید لیزر یک جفت آینه است که هرکدام در یک انتهای محیط تولید لیزر قرار دارند. فوتونها با طول موج و فاز بسیار ویژه، روی این دو آینه بطور متوالی بازتابش حاصل می کنند و در این فرایند الکترونهای بیشتری را برانگیخته و باعث صعود آنها به سطوح انرژی بالاتر، برگشت به موقعیت پایدار و ساتع ساختن فوتونهای بیشتر با همان طول موج و فاز می کنند.

این اثر آبشاری مداوما رخ می دهد و در فاصله کوتاهی تعداد زیادی فوتون با طول موج و فاز یکسان تولید می شود. یکی از آینه های یاد شده اندکی نفود پذیر است و به بخشی از نور امکان عبور می دهد. فوتونهای بیشمار و تقویت شده در اثر بازتابش متوالی در نقطه ای می توانند از سد این آینه عبور کرده و پرتو نور قدرتمندی ایجاد کنند که به آن لیزر می گوییم.

یکی از نمونه های متداول لیزر، ruby laser یا لیزر یاقوت است. این نوع اسباب تولید لیزر از یک مولد فلاش، یک میله از جنس یاقوت و دو آینه در دو انتها – که یکی اندکی عبور دهنده نور است) ساخته شده است. میله یاقوت محیط تولید کننده لیزر و فلاش، مولد انرژی لازم برای برانگیختن الکترونها است.

تصاویر زیر مراحل تولید لیزر در این اسباب را نشان می دهند.

 

فلاش نور قوی به داخل میله یاقوتی می تاباند. نور باعث برانگیخته شدن اتمهای یاقوت می شود.

 

برخی از این اتمها فوتون صادر می کنند.

 

برخی فوتونها در مسیری موازی محور میله یاقوتی حرکت می کنند به گونه ای که پس از برخورد به آینه ها بازتاب می یابند.

با عبور از درون بلور یاقوت، باعث برانگیخته شدن اتمهای بیشتری می شوند.

 

یک نور انباشته شده تک رنگ و تک فاز از درون آینه ناقص (با کمی نفوذپذیری) عبور می کند که همان پرتو لیزر است.

انواع لیزر

لیزرها معمولا بر حسب محیط تولید کننده اتمهای برانگیخته شناخته می شوند.

لیزر حالت جامد (solid-state)

ماده مولد لیزر در یک ماده زمینه ای جامد (ماتریکس) پراکنده شده است. این ماتریس زمینه ای از یاقوت یا نئودیمیوم ساخته شده است و می تواند نور مادون قرمز با طول موج 1064 نانومتر تولید کند.

لیزر گازی

متداو ترین محیط های لیزر گازی عبارتند از هلیوم و هلیوم – نئون. خروجی آنها یک نور قرمز مرئی است. لیزر دی اکسید کربن می تواند برای برش مواد سخت به کار رود.

لیزر اکسایمر

اینها از گازهای فعال مانند کلر و فلوئور استفاده می کنند که با گازهای خنثا مانند آرگون، کریپتون و زنون مخلوط شده اند. نور تولیدی آنها در محدوده فرابنفش است.

لیزرهای رنگی

این لیزرها از رنگهای آلی مختلط مانند rhodamine 6G در یک حلال مایع یا بصورت مخلوط معلق به عنوان محیط مولد لیزر استفاده می کنند. آنها را می توان در گستره وسیعی از طول موجها تنظیم کرد.

لیزرهای نیمه هادی

که گاهی اوقات لیزر دیودی نامیده می شوند بسیار کوچک و کم توان هستند. در چاپگرهای لیزری یا پخش سی دی از این نوع لیزر استفاده می شود.

رده بندی لیزرها

لیزرها بسته به توان تولیدی از کلاس I تا IV رده بندی می شوند. کلاس IV پرتوان ترین بوده و تابش آن روی یک نقطه خطرناک است.

منبع:

https://science.howstuffworks.com/laser.htm

راز اجساد نیمه خورده شده کوسه بزرگ سفید در ساحل ها

جسد نیمه خورد شده یک کوسه سفید در ساحلی از استرالیا یافت شده که به احتمال قوی مورد حمله اورکاها یا نهنگ های قاتل قرار گرفته است.

تصاویر حیرت انگیز نشان می دهند که بدن چهارمتری این کوسه که خود صیادی در  راس هرم غذایی به شمار می رود، در حالی که به دو نیم شده در ایالت ویکتوریای استرالیا یافت شده است.

دو روز پیش از آن گروهی از نهنگ های قاتل دیده شده بودند که در خلیجی دور می زدند. کوسه های سفید بزرگ و نهنگ های قاتل هر دو از صیادان برتر اقیانوس به شمار می روند و گاهی در حین رقابت بر سر طعمه به نزاع با یکدیگر می پردازند. در این اوقات رفتارهای عجیب از نهنگ های قاتل دیده شده برای مثال آنها یک کوسه بزرگ سفید را پشت و رو کرده اند و 15 دقیقه او را در این حالت نگاه داشته اند تا خفه شود. سپس کبد او را خورده اند. کبد کوسه غنی از چربی است و به کوسه سفید در شناوری کمک می کند.

در تمامی برخوردهای میان گروه نهنگ های قاتل و کوسه های سفید، دریدن شکم کوسه و خوردن کبد او هدف اصلی نهنگ های سفید بوده، کاری که با دقت یک جراح و آناتومیست انجام می گیرد. کوسه های سفید، کوسه‌های ماکو، وال های برنز و حتی ببر کوسه ها برای کبدشان مورد حمله اورکاها قرار گرفته اند.

فشار فزاینده ای که انسان بر اکوسیستم ها وارد می سازد باعث تغییراتی در رفتارهای غذایی جانوران دریایی شده که زنگ خطری برای محیط زیست محسوب می شود.

 منبع:

https://sg.news.yahoo.com/mystery-half-eaten-great-white-091103143.html

صفحات تکتونیکی سیاره زمین

 

برخی از صفحات بزرگ و کوچک تکتونیکی زمین در وضعیت امروزین خود

میلیاردها سال پیش، سطح زمین دریایی از سنگ مذاب بود. با سرد شدن تدریجی این ماگمای جوشان، یک پوسته سنگی پیوسته شکل گرفت که در آن کانیهای چگال تر به سمت مرکز زمین فرو رفته و آنها که کمتر چگال بودند به سمت بالا صعود کردند.

صفحه منجمد شده پوسته زمین را تشکیل داد، سپس یک جبه (گوشته) در زیر آن شکل گرفت. ماده سست تر زیر پوسته داغتر و متحرک بود. اختلاف در استحکام این لایه ها به لایه های فوقانی اجازه حرکت داد. این لایه ها با هم برخورد کرده و در محل برخورد و به هم فشردگی آنها دره ها و کوه ها شکل گرفتند و آتشفشانها و زمین لرزه ها به وجود آمدند.

اما چند تا از این صفحات سطح زمین را می پوشانند؟ پاسخ از یک دوجین تا تقریبا 100 بسته به نقطه نظر ما تغییر می کند.

بیشتر زمین شناسان بر این باورند که حدود 12 تا 14 صفحه اصلی بیشتر سطح زمین را می پوشانند. هر کدام مساحتی حداقل حدود 20 میلیون کیلومتر مربع دارند و بزرگترین آنها صفحات آمریکای لاتین، آفریقا، اوراسیا، هندو استرالیا، آمریکای جنوبی، قطب جنوب و اقیانوس اطلس هستند. قابل توجه ترین آنها صفحه اقیانوس اطلس است که عرصه ای به وسعت حدود 103.3 میلیون کیلومتر مربع را می پوشاند و به دنبال آن آمریکای شمالی است که 75.9 میلیون کیلومتر مربع مساحت دارد.

علاوه بر این هفت صفحه بسیار بزرگ، پنج صفحه کوچکتر وجود دارد: دریای فیلیپین، کوکاس (Cocos)، نازکا، صفحه عربی و خوآن دو فوکا. برخی صفحه آناتولی و آفریقای شرقی را نیز بر می شمارند و تعداد صفحات را از 12 به 14 می رسانند.

در مرز صفحات اوضاع پیچیده تر می شود زیرا حرکت صفحات نسبت به هم (تکتونیک صفحه ای) باعث شکستن صفحلت به قطعات کوچکتر به نام ریزصفحات می شود. اینها مساحتی حدود 1 میلیون کیلومتر مربع دارند و به باور دانشمندان 57 تا از آنها بر سطح زمین وجود دارند.

همچنانکه زمین شناسان درک بیشتری از این پازل پویا بدست می آورند، به سناریوهای شگفتی که این صفحات متحرک پوسته زمین خلق می کنند دست می یابند. سریعترین این صفحات یعنی صفحه اقیانوس اطلس با سرعت 7 تا 10 سانتی متر در سال حرکت می کند.

این حرکت سریع توسط حلقه محاطی از نواحی کشش به درون ایجاد می شود که به نام حلقه آتش موسوم است، که در آنجا نیروهای گرانشی صفحات را به درون زمین می کشند. این حرکت پیوسته ممکن است قاره ها را نیز در خود کشیده و محو کند بطوری که با مرور زمان قطعه ای از یک قاره به درون جبه کشیده شود. در نتیجه در عرض چند میلیارد سال آینده کره زمین ما بسیار متفاوت تر از امروز به زمین خواهد رسید.

تحول چهره زمین در 225 میلیون سال اخیر

منبع: Live Science

چرا زندگی ابدی امکان پذیر نیست؟

ترمودینامیک پیر شدن

برایان جانسون یک کارآفرین نرم افزار است که هر سال 2 میلیون دلار خرج می کند تا بدن 45 ساله خود را تا حد 18 سالگی جوان نگاه دارد. او بیش از 30 پزشک و پرستار را استخدام کرده تا عملکرد روزانه بدنه او را پایش کنند. او بیش از 110 قرص ویتامین در روز می خورد و خالص بودن تمام مواد خوراکی خود را آزمایش می کند. در اصل او جستجو به دنبال جوانی دائمی را به شغل تمام وقت خود تبدیل کرده است. در این راه نقشه ای از آنچه آموخته تهیه کرده تا به مردم برای جوان نگاه داشتن بدن خود به مدتی طولانی تر کمک کند – البته اگر منابع لازم برای تکرار رویکرد پیچیده و پرهزینه او را در اختیار داشته باشند.

جانسون تنها یکی از مالکین ثروتمند اوبر (Uber) است که برای پیشگیری از پیر شدن خود میلیارذدها دلار خرج می کنند. اما ممکن است در جستجوی جوانی دائمی نهایتا در برابر مانعی بیرحم تسلیم شوند: قوانین فیزیک

فیزیک فرسودگی و از هم گسیختگی

برای پیرشدن دلایلی چند می توان ارائه کرد. استدلال تکاملی این است که هر نسلی از مخلوقات – چه انسان، حیوان یا گیاه – باید پیر شده و بمیرد تا جا را برای نسل جدیدی باز کند. پس اینکه بدنهای ما در نقطه ای از زمان از بازسازی خود دست می کشند یک نقص طراحی نیست، بلکه یک ویژگی ضروری است.

نظریه دیگر، نظریه پیر شدن در اثر فرسودگی (wearing-out) است. "ماشین های مولکولی" متعددی در بدن ما وجود دارند که همه کاری از کپی سازی سلولها تا جابجا کردن مواد غذایی بسوی نواحی مورد نیاز انجام می دهند. وقتی این ماشین ها به کار می پردازند، با هزاران مولکول آب احاطه می شوند که بطور تصادفی هر ثانیه تریلیون ها بار با آنها برخورد می کنند. فیزیکدانان به این پدیده جنبش گرمایی می گویند.

این جنبش گرمایی منبعی از انرژی فراهم می آورد که ماشین های مولکولی بدن می توانند برای انجام کار خود آن را تسخیر کنند. اما این انرژی مسئول شکستن پیوندهای میان مولکولها نیز هست. احتمال بقای این پیوندهای مولکولی در برابر نیروی اعمال شده درست مانند احتمال بقای انسان در برابر پیر شدن است که امکان وجود رابطه‌ای میان شکستن پیوندهای مولکولی و پیر شدن – به عبارتی میان پیر شدن و جنبش گرمایی – به ذهن القا می کند.

به عبارت دیگر، در طی زندگی ما فرسایش و از هم گسیختگی را تجربه  می کنیم. بر خلاف اشیای غیرحیوانی، ما می توانیم دستگاه های درونی خود را پس از چنین صدماتی ترمیم کنیم، لیکن محدودیت هایی برای این کار وجود دارد.

دکتر لئونارد هی فلیک به عنوان استاد آناتومی و میکروبیولوژی کار کرده است و در زمره برترین متخصصان پیری است. او معیاری به نام "محدوده هی فلیک" تعریف کرده سات که عبارت از تعدادی است که DNS انسان می تواند پیش از از دست دادن توانایی نسخه برداری، به تکثیر خود ادامه دهد و شکلی متفاوت مرتبط با سن به خود بگیرد. پس از عمری مطالعه دکتر هی فلیک از تعریف فرسودگی و گسیختگی پیری دفاع کرده است.

به باور او قانون دوم ترمودینامیک سبب احتمالی پیری است. این قانون بر رفتار تمام مولکولها حک.مت می کند؛ می تواند دلیل غایی تمام نظریات پیری را شرح دهد؛ با استفاده از فناری های موجود قابل آزمون است، ابطال پذیر است، عالم گیر است و در هر دو جهان مادی و غیرمادی قابلیت کاربرد دارد.

آنتروپی وضعیتی است که در آن اشیا از یک حالت منظم تر به حالتی بی نظم تر پیش می روند. این مفهوم اولین بار توسط رودلف کلازیوس در دهه 1850 تصریح شد. قانون دوم ترمودینامیک، قانون آنتروپی چنین اظهار می دارد که "اگر فرایند فیزیکی برگشت ناپذیر باشد، آنتروپی سیستم و محیط پیرامونی آن افزایش خواهد یافت؛ آنتروپی نهایی باید بزرگتر از آنتروپی نخستین باشد".

برای مثال وقتی یک سیب می خورید، میوه سفر خود را در حالتی از آنتروپی پایین آغاز می کند و با جویدن آن توسط شما آنتروپی آن افزایش می یابد. هضم و داخل شدن مواد میوه در سیستم سوختی بدن باز هم آنتروپی آن را بیشتر می کند. آنتروپی درمیان میلیاردها فرایند مولکولی در سیستم های پسچیده بدن افزایش می یابد. هرچه بیشتر عمر کنید، آنتروپی بیشتری تجربه خواهید کرد و هر موقعیت جدیدی از انتروپی می تواند به نوبه خود رشته ای از فرایندهای آنتروپیک جدید خلق کند.

آیا می توان فرایند پیری در کل بدن را آهسته کرد؟

بخشی از صدمات روی داده در بدن را می توان معکوس کرد اما با حدود 37 تریلیون سلول مختلف از 200 نوع متفاوت که همگی بر روی یکدیگر تاثیر می گذارند، تاثیرات بصورت آبشاری تداوم می یابند. به بیان ساده سیستم‌های بازسازی کننده بدن شما کم می آورند و نمی توانند تمامی تخریب های سلولی را وارونه ساخته و تعمیر کنند.

برخی مناطق دنیا به مناطق آبی موسومند: مناطقی مانند اوکیناوا در ژاپن، ساردینیا در ایتالیا، ایکاریا در یونان، نیکویا در کاستاریکا و لوما لیندا در کالیفرنیا.این مناطق دارای بیشترین تعداد صدساله ها هستند و مردم آنجا طول عمر بیشتری نسبت به سایر مناطق دارند. مردم این مناطق چهار قانون را در سبک زندگی خود رعایت می‌کنند: خردمندانه غذا می خورند؛ بطور طبیعی حرکت می کنند؛ با سایرین ارتباط دارند؛ و زندگی هدفمندانه دارند. مردم این مناطق رژیم های غذایی خاص یا مواد مکمل مصرف نمی کنند بلکه برای زندگی طولانی تر تلاش می کنند.

منبع: Popular Mechanics

ستاره دنباله دار نیشیمورا

تصویر بالا ستاره دنباله دار نیشیمورا را نشان می دهد که به هنگام نزدیک شدن به خورشید تحت اثر یک فیضان عظیم جرم از هاله خورشید، دنباله آن به ناگاه از هم گسیخته و محو می شود.

این ستاره دنباله دار ابتدا در 12 آگوست سال جاری توسط ستاره شناس آماتور هیدئو نیشیمورا کشف شد، هنگامی که بسرعت در حال تقرب به خورشید بود. منشا این ستاره دنباله دار ابر اورت در فراسوی دستگاه خورشیدی است. این ستاره دنباله دار هر 430 سال یکبار به درون دستگاه خورشیدی سفر می کند.