« خاصیت موئینگی » و کاربرد آن در زندگی روزمره، چیست؟

« آلودگی محیط زیست » تغییرات نامطلوبی است که در محیط زیست اطراف ما، به علت فعالیتهای بشری؛ از جمله، سوختهای فسیلی، احداث کارخانجات صنعتی، استخراج معادن و ...، به وجود می آیند. این آلودگیها در اثر رشد سریع جمعیت و صنعتی شدن، با سرعت، در حال افزایش، بوده و شامل  آلودگی هوا، آب، خاک، آلودگی صوتی، آلودگی با مواد رادیواکتیو و ...، می شود. آلودگی هوا با ایجاد بیماریهای تنفسی و  قلبی - عروقی، تخریب لایه اوزون و به وجود آمدن مشکلات پوستی و چشمی، ذوب یخچالهای طبیعی و زیر آب رفتن مناطق مختلف جهان، سبب بروز انواع مشکلات برای جانداران گوناگون، می شود. آلودگی آب نیز، با به انقراض کشاندن گونه های مختلف آبزیان و همچنین، از طریق انتقال مواد سمی داخل بدن آبزیان و سایر جانداران به انسانها، زندگی در محیط زیست را مختل می گرداند. نوع دیگر آلودگی که بر خاک، تأثیر می گذارد حاصل از کارهای معدنی، کشاورزی، زباله های پزشکی، زباله های الکترونیکی، مصرف دخانیات، دود وسائل نقلیه و ...، می باشد.

با توجه به تأثیرات نامطلوبی که آلودگی محیط زیست بر گونه های مختلف جانوری و گیاهی، دارد، دولتها و شهروندان کشورها را ملزم به رعایت اصول و انجام اقداماتی خاص؛ در جهت کاهش این گونه آلودگیها، می نماید.

یکی از اقدامات در این زمینه، « گیاه پالائی » است. در این روش، از گیاهان مقاوم، جهت حذف یا کاهش غلظت آلاینده های محیط زیست، استفاده می شود؛ بدین شکل که آلاینده های منابع آبی در ریشه برخی از گیاهان آبی و خاکی؛ از جمله، آفتابگردان، ذرت، خردل هندی، تنباکو، چاودار و ...، تغلیظ یا رسوب کرده و در برخی دیگر از گیاهان نیز، پس از جذب توسط ریشه، دچار محدودیت حرکتی، شده و راحت تر، در دسترس قرار می گیرند. مورد اول برای جذب فلزاتی؛ مانند سرب، مس، نیکل، روی، کروم و کادمیوم، مناسب بوده و در فاضلابهای صنعتی، فاضلابهای معادن اسیدی و روانآبهای حاصل از کشاورزی، کاربرد دارد. مورد دوم نیز، برای جذب، رسوب و کاهش ظرفیت آلاینده های درون خاک، رسوب و لجن، مورد استفاده، قرار می گیرد. البته در دسته ای از گیاهان، آلاینده ها بعد از اینکه از طریق ریشه، جذب می گردند، تبخیر و در اثر تعرق، به جو زمین، منتقل می شوند. همچنین، گونه هائی از گیاهان، قادرند آلودگیهای داخل آب و خاک را که به شکل ترکیبات آلی، هستند شکسته و به مولکولهای ساده تر، تبدیل نمایند و بدین ترتیب، به درون بافتهای خود، راه دهند.

این روش در مقایسه با روشهای فیزیکوشیمیائی که باعث از بین رفتن میکروارگانیسمهای مفید خاک و در نتیجه، ضعیف شدن فعالیتهای بیولوژیکی آن، می گردند مفیدتر بوده و علاوه بر آن، کم هزینه تر می باشد. گیاهانی که در عمل « گیاه پالائی »، استفاده می شوند این کار را از طریق خاصیت موئینگی، انجام می دهند. اینک، برای بهتر فهمیدن موضوع، به تعریف « خاصیت موئینگی »، می پردازیم.

« نیروهای بین مولکولی » به نیروهائی، گفته می شود که اجزای سازنده مواد را به یکدیگر، متصل نموده؛ به نحوی که مانع دور یا نزدیک شدن بیش از اندازه آن اجزاء از هم، می شوند. این نیروها به دو دسته « نیروهای همچسبی » و « نیروهای دگرچسبی »، تقسیم می گردند که دسته اول به نیروهای بین مولکولهای همسان و دسته دوم به نیروهای میان مولکوهای غیرهمسان، گفته می شود. « خاصیت موئینگی » یکی از آثار « نیروهای دگرچسبی »، می باشد.

در تعریف « اثر موئینگی »، می توان به اتفاقی که بعد از قرار دادن یک « لوله موئین »؛ لوله ای با قطر یک دهم میلیمتر، داخل ظرفی پر از آب، رخ می دهد، اشاره کرد. به علت بیشتر بودن « نیروی دگرچسبی » میان مولکولهای آب و شیشه نسبت به « نیروی همچسبی » میان مولکولهای آب، آب داخل لوله، بالا رفته و بالاتر از سطح آب درون ظرف، قرار می گیرد و درست، به همین دلیل نیز، سطح آب داخل لوله به صورت فرورفته یا مقعر، دیده می شود. میزان بالا رفتن آب داخل لوله، به میزانی، خواهد بود که وزن آبی که بالاتر از سطح آب درون ظرف، قرار دارد با « نیروی دگرچسبی » مولکولهای آب و شیشه، برابر باشد. به علاوه، هر قدر، قطر لوله نازکتر باشد، ارتفاع آب داخل لوله، بالاتر خواهد رفت.

اکنون، اگر ظرف را از مایعی؛ مانند جیوه، پر نمائیم، در اثر کمتر بودن « نیروی دگرچسبی » بین مولکولهای جیوه و شیشه در مقابل « نیروی همچسبی » میان مولکولهای جیوه، سطح جیوه داخل لوله، پائینتر از سطح جیوه درون ظرف و به شکل برآمده یا محدب، خواهد بود.

جهت محاسبه ارتفاع مایع درون لوله موئین، می توان از فرمول زیر، استفاده نمود:

در این فرمول، h ارتفاع مایع درون لوله، σ ( سیگما ) کشش سطحی مایع، r شعاع داخلی لوله، ρ چگالی مایع، g نیروی گرانش زمین ( 81/9 متر بر مجذور ثانیه یا حدود 10 نیوتون بر کیلوگرم ) و θ زاویه بین دیواره لوله و راستای مایع در محل اتصال، می باشد. در نتیجه، اگر شعاع داخلی لوله موئینی 50 میکرومتر، کشش سطحی آب 70 میلی نیوتون بر متر و θ زاویه بین آب و دیواره، 53 درجه باشد، با توجه به اینکه چگالی آب 1000 کیلوگرم بر مترمکعب و کسینوس زاویه 53 درجه برابر با شش دهم، است، ارتفاع آب درون لوله به صورت زیر، به دست می آید:

برای بهتر درک کردن زاویه میان دیواره لوله و راستای مایع در محل اتصال، به شکل زیر، دقت کنید:

« اثر موئینگی » کاربردهای دیگری نیز، در زندگی روزمره ما، دارد؛ از جمله، بالا آمدن الکل از فتیله چراغ الکلی، آبیاری قطره ای، ساخت مواد تمیزکننده با خاصیت موئینگی که جاذب آلودگیهای زیست محیطی باشند، فرایند تصفیه آب و ... .

کاربرد چگالی در زندگی روزمره، چیست؟

آیا توجه کرده اید علت فرو رفتن میله آهنی کوچک به داخل آب و در مقابل، شناور ماندن کشتی فلزی عظیم الجثه ای که چندین هزار تن بار را نیز، حمل می کند چیست؟ می توانیم پاسخ را در تفاوت چگالی این دو جسم، جستجو کنیم. برای آنکه اجسام روی مایعات، شناور بمانند، باید چگالی کمتری نسبت به مایعات مورد نظر، داشته باشند. « چگالی » به جرم موجود در واحد حجم، گفته می شود که واحد آن در « دستگاه بین المللی یکاها »، کیلوگرم بر متر مکعب است و نماد آن ρ بوده و از رابطه زیر، به دست می آید:

در این رابطه، m نماد جرم و v نماد حجم است. زمانی که جسمی را داخل آب یا هر مایع دیگری، قرار می دهیم، نیروئی متقابل از طرف مایع، به سمت جسم، وارد می شود که میزان آن برابر است با وزن مایعی که آن شیء جا به جا می کند. وزن مایعی که توسط جسم مورد نظر، جا به جا می شود نیز، برابر است با وزن همان جسم. در صورتی که آن شیء بتواند پیش از فرو رفتن کامل، مقدار هم وزن خود را از آن مایع، جا به جا کند، قادر خواهد بود روی مایع، شناور مانده و دیگر، غرق نشود. دلیل غرق شدن میله آهنی کوچک نیز، همین موضوع است؛ چرا که به عنوان مثال، یک میله آهنی 20 کیلوگرمی کوچک نمی تواند تا قبل از غرق شدن کامل، 20 کیلوگرم آب را جا به جا کند؛ اما یک کشتی فلزی 200 هزار کیلوگرمی چنان طراحی می شود که بتواند پیش از غرق شدن، 200 هزار کیلوگرم آب را جا به جا کند. سازندگان کشتی این کار را از طریق پر کردن بخش عمده ای از فضای داخلی کشتی با هوا، انجام می دهند. به این ترتیب، حجم کشتی زیاد می شود؛ بدون آنکه جرم آن تغییر زیادی داشته باشد. بهتر است بدانید جرم اجسام با چگالی آنها، رابطه مستقیم و حجم اجسام با چگالیشان، رابطه معکوس دارد؛ بدین معنا که با افزایش جرم، چگالی افزایش یافته و با افزایش حجم، چگالی کاهش می یابد. در این مورد نیز، با پر کردن فضای داخلی کشتی با هوا، حجم افزایش پیدا کرده و چگالی کاهش می یابد و کشتی خیلی سریع و تا قبل از آنکه به زیر آب، فرو رود، 200 هزار کیلوگرم آب را جا به جا کرده و روی آب، شناور می ماند.

آشنائی با چگالی و قوانین مربوط به آن، ما را قادر می سازد علاوه بر صنعت کشتی سازی، در موارد دیگری نیز، نیازهای خود را برطرف نمائیم؛ از جمله، داروسازی، آتش نشانی و ... . به عنوان مثال، برای خاموش کردن آتشی که در اثر نفت یا بنزین، شعله ور گشته، نمی توان از آب که چگالی بیشتری نسبت به نفت و بنزین، دارد، استفاده کرد؛ چرا که نفت و بنزین که چگالی کمتری دارند روی آب، قرار گرفته و در نتیجه، آتش شعله ورتر می شود. به همین جهت، آتش نشانان در اطفای حریق، موادی را به کار می گیرند که چگالی کمتری نسبت به نفت یا بنزین، داشته باشند.

برای آشنائی با چگونگی به کار بردن فرمول چگالی در محاسبات، به مثال زیر توجه نمائید:

نیمکره ای از جنس آهن با چگالی 8 کیلوگرم بر مترمکعب و شعاع خارجی 3 سانتیمتر، داریم که حفره ای به شکل نیمکره و با شعاع داخلی 2 سانتیمتر را در آن، ایجاد کرده ایم. با در نظر گرفتن π مساوی با 3، جرم آن چند گرم است؟

ابتداء، حجم کره کاملی با شعاع خارجی 5 سانتیمتر و شعاع داخلی 3 سانتیمتر را اندازه گیری کرده و سپس، آن را نصف می کنیم تا حجم نیمکره به دست آید:

بعد، مقادیر مورد نظر را داخل فرمول چگالی، قرار داده و جرم را به دست می آوریم:

« ویلهلم کنراد رونتگن »؛ کاشف اشعه ایکس

 

در سال 1845 میلادی، در شهر لنپ آلمان به دنیا آمد. در کودکی، هیچ استعداد خاصی؛ به جز عشق به طبیعت و اشتیاق به ساختن ابزارهای مکانیکی، از خود بروز نداد. به اتهام همراه داشتن کاریکاتور یکی از معلمان، از دبیرستان اخراج شد. در 20 سالگی، برای ورود به رشته فیزیک دانشگاه اوترخت، فاقد صلاحیت علمی شناخته شد. در نهایت، با گذراندن درسهای پیش نیاز، به عنوان دانشجوی مهندسی مکانیک، در دانشگاه پلی تکنیک زوریخ پذیرفته شد. تحت تأثیر استادش « آدولف کلازیوس »، به مطالعه گازها علاقمند شد و در سال 1869 میلادی، دکترایش را در فیزیک، با ارائه رساله ای در مورد حالت گازها و با راهنمائی « آگوست کونت »، از دانشگاه زوریخ دریافت کرد. 19 سال بعد را در دانشگاههای مختلف، مشغول به کار بود و به تدریج، به عنوان دانشمندی برجسته، اعتبار کسب کرد؛ اما در خارج از دنیای علم، آدمی ناشناخته بود. سال 1888 میلادی، استاد و رئیس مؤسسه فیزیک دانشگاه وورتسبورگ شد. 7 سال بعد؛ در حالیکه هنوز در همین مؤسسه اشتغال داشت، به آن روز هیجان انگیز رسید.

اواخر قرن 19 میلادی، بسیاری از فیزیکدانان به مطالعه پرتوهائی علاقمند شده بودند که « یوهان هیتورف » در سال 1869 میلادی، کشف کرده بود و 7 سال بعد، « یوگن گلدشتین » آنها را « پرتوهای کاتدی » نامید. این پرتو وقتی شکل می گرفت که برق ولتاژ قوی بین دو الکترودی که داخل لوله کروکس قرار داشت برقرار می شد. لوله کروکس که در آن زمان، مورد استفاده بسیاری از فیزیکدانان قرار می گرفت شامل یک حباب شیشه ای بود که تقریبا هوایش تخلیه کامل شده و دو الکترود به فاصله چند سانتیمتر از یکدیگر، درونش جای داشتند. با برقراری اختلاف پتانسیل زیاد؛ در حدود چندین هزار ولت، بین الکترودها، اشعه کاتودیک از کاتد ( قطب منفی ) به آند ( قطب مثبت )، جریان می یافت و به جداره لوله برخورد می کرد. خیلی زود، معلوم شد که پرتو کاتدی در واقع، جریانی از الکترونهای با سرعت بالا و با بار منفی است.

نوامبر سال 1895 میلادی، « رونتگن » تحقیقاتی را در این زمینه، در آزمایشگاهی که در زیرزمین خانه اش ساخته بود، آغاز کرد. روز 8 نوامبر آن سال، کاملا اتفاقی، متوجه شد صفحه عکاسی ای که در کاغذی سیاه، پیچیده شده بود و در کیفی چرمی و در انتهاء کشوی میزش، قرار داشت به طور اسرارآمیزی، در معرض نور، قرار گرفته و تصویر شبح گونه کلیدی روی آن، نقش بسته است. با جستجوی داخل کشو، کلید سربی ای را یافت که مربوط به در باغ بود و سال گذشته، آن را داخل کشو انداخته بود. او متوجه شد که کلید در خط مستقیم بین لوله کروکس روی دیوار و صفحه عکاسی، قرار داشته است؛ اما کدام پرتو از لوله کروکس، خارج شده و توانسته بود از میز و کاغذ سیاه و چرم، عبور کند و بر صفحه عکاسی، اثر بگذارد؟

فرضیه « رونتگن » این بود که تابشی نامرئی و ناشناخته از داخل لوله کروکس، برصفحه عکاسی، تأثیر گذاشته است. او می دانست که اشعه کاتدی نمی تواند علت باشد؛ چرا که پرتوهای کاتدی قابلیت انتشار و رسوخ ندارند و چند سانتیمتر از هوا به سهولت، آنها را متوقف می کند. وی برای آزمودن فرضیه اش، لوله کروکس را با کاغذ سیاه ضخیمی، کاملا پوشاند تا امکان خروج هیچ نوری از آن، وجود نداشته باشد. سپس، برای آنکه مؤثر بودن پوشش را بیازماید، اتاق را تاریک و سیم پیچ پرولتاژ را روشن کرد تا لامپ به کار بیفتد. وقتی مطمئن شد پوشش سیاهی که ساخته است کاملا لامپ را می پوشاند و به هیچ نوری اجازه عبور نمی دهد، رفت که سیم پیچ را خاموش و چراغهای اتاق را روشن کند؛ اما ناگهان متوجه نور ضعیفی شد که از فاصله حدود 1 متری زیر لامپ تخلیه، می درخشید. نخست گمان کرد خطای دید است؛ ولی وقتی بار دیگر، مقداری الکتریسیته را از لامپ کاتدی تخلیه کرد، باز همان نوری که همچون ابرهای سبز محوی، همگام با افت و خیز تخلیه های الکتریکی لامپ کاتدی حرکت می کرد در همان نقطه، ظاهر شد. وی به سرعت، کبریتی روشن کرد و با شگفتی، متوجه شد که منشاء آن نور مرموز صفحه فلوئورسان کوچکی است که در 1 متری لامپ روی میز قرار دارد. پرتو کاتدی نمی توانست چنین فاصله ای را طی کند. پس، « رونتگن » بلافاصله پی برد که با پدیده کاملا جدیدی روبرو شده است.

او که هیجانی زائدالوصف داشت، با تعطیل کردن تمام کارهایش، همه وقتش را صرف شناخت این پرتو اسرارآمیز کرد. از روی تصویر کلید سربی ای که به دست آمده بود، متوجه شده بود که این پرتو قادر به عبور از سرب نیست. روزی، وقتی مشغول قرار دادن یک قطعه سرب مقابل لوله بود، حرکت شبحواری را روی صفحه فلوئورسان، مشاهده کرد. وقتی متوجه شد این شبح جزئیات استخوانهای دست و بازویش است که روی صفحه فلوئورسان دیده می شود، غرق حیرت و شگفتی شد. وقتی انگشتش را تکان داد، طرح استخوان انگشت او هم که با نور سبز، مشخص بود حرکت کرد. او اشعه جدیدی کشف کرده بود. وی تمام 6 هفته پس از آن، به بررسی این پرتو ناشناخته پرداخت و سرانجام، یافته هایش را در روز 28 دسامبر 1895 میلادی، در مقاله ای با عنوان « رساله ای مقدماتی درباره نوعی پرتو جدید » منتشر کرد. با اینکه « رونتگن » ویژگیهای اساسی این پرتو جدید را به دقت، شرح داده بود؛ اما به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن و همچنین، به خاطر فروتنی ذاتیش، آن را « اشعه ایکس » ( پرتو مجهول ) نامید. امروزه این اشعه به « اشعه رونتگن » نیز معروف است.

انتشار این مقاله هیجان فراوانی به وجود آورد و توجه محافل علمی را به خود جلب کرد. خبر کشف این اشعه سرتیتر تمام روزنامه های جهان شده بود. هنوز 1 سال از انتشار مقاله اولش نگذشته بود که 49 کتاب و رساله و بیش از 1000 مقاله درباره پرتوهای ایکس منتشر شد. کشف وی الهامبخش دانشمندان دیگری؛ از جمله « هانری بکرل »، « ماری کوری »، « رادرفورد » و « ماکس پلانک » شد تا با ادامه تحقیقات در مورد پرتوها و با کشف مواد رادیواکتیو و شناخت دقیقتر ساختار ماده، زمینه را برای تولد فیزیک مدرن فراهم کنند.

ایجاد این اشعه به قدری ساده بود که به زودی، کاربرد عملی پیدا کرد. فقط 4 روز پس از رسیدن خبر کشف « رونتگن » به آمریکا، با استفاده از این اشعه، توانستند محل یک گلوله را در پای مجروحی پیدا کنند. اشعه ایکس علاوه بر عکسبرداری از اعضاء داخلی بدن، در زیست شناسی، ستاره شناسی، بلورشناسی، عکسبرداری از درون اشیاء جامد و محصولات صنعتی؛ از قبیل لوله ها، نیز کاربرد دارد. این اشعه به ویژه در مورد ساختار اتمی و مولکولی، اطلاعات زیادی را برای دانشمندان فراهم کرده است.

او به حق، یکی از مشهورترین دانشمندان عصر خود شد و اولین جایزه نوبل فیزیک برای کشف اشعه ایکس، در سال 1901 میلادی، به وی تعلق گرفت. او آدمی کم حرف و فروتن بود و ترجیح می داد به تنهائی، در زیرزمین خانه اش، کار کند. وسائل و ابزارهای مورد نیازش را خودش می ساخت و عاشق طبیعت و کوهنوردی بود. سرانجام، در سال 1923 میلادی و در سن 78 سالگی، در اثر سرطان روده، در مونیخ درگذشت.

استفاده از پرتو ایکس نخستین روش غیرمخربی بود که به پزشکان اجازه می داد درون بدن انسان را ببینند. این پرتو برای تشخیصهای پزشکی و دندانپزشکی، کاربرد دارد. همچنین از آن، در رادیوتراپی، جهت نابود کردن تومورهای خطرناک یا متوقف کردن رشدشان استفاده می شود. به دلیل کاربرد وسیع پرتو ایکس در رادیوگرافی ( پرتونگاری ) و رادیولوژی ( پرتوشناسی )، 18 آبان  ( 8 نوامبر ) - روز کشف این اشعه - را « روز جهانی رادیولوژی » نامیده اند. سال 2004 میلادی، « اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی » ( IUPAC ) عنصر 111 جدول تناوبی را به افتخار وی، « رونتگنیوم » نامگذاری کرد.