مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

رفتار موجي ـ ذره‌اي
در سال 1901 ماکس پلانک (Max Planck: 1947-1858) اولين گام را به سوي مولکول نور برداشت و با استفاده از ايده‌ي تقسيم نور، جوابجانانه‌اي به اين سؤال داد. او فرض کرد که انرژي تابشي در هر بسامدِ ν ــ بخوانيدنُو ــ به صورتمضرب صحيحياز νh است که در آن h يک ثابت طبيعي ــ معروف به «ثابت پلانک» ــ است. يعني فرض کرد که انرژي تابشي در بسامد ν از «بسته هاي کوچکيبا انرژي νh» تشکيل شده است. يعني اينکه انرژي نوراني، «گسسته» و «بسته ـبسته» است. البته گسسته بودن انرژي به‌تنهايي در فيزيك كلاسيك حرفِ ناجورينبود‌ (همان‌طور كه قبل‌تر در مورد امواج صوتي ديديم)، بلکه آنچه گيج‌كننده بود وآشفتگي را بيشتر مي‌کرد،ماهيتِ «موجي ـ ذره‌اي» نور بود. اين تصور كه چيزيــ مثلاً همين نور ــ هم بتواند رفتاري مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاري مثل «ذره»، به طرز تفكر جديدي در علم محتاج بود.

تعريف امواج اولتراسوند فراصوت

امواجفراصوت به شكلي از انرژي از امواج مكانيكي گفته مي‌شود كه فركانس آنها بالاتر از حدشنوايي انسان باشد. گوش انسان قادر است امواج بين 20 هرتز تا 20000 هرتز را بشنود. هر موج (شنوايي يا فراصوت) يك آشفتگي مكانيكي در يك محيط گاز ، مايع و يا جامد استكه به بيرون از چشمه صوتي و با سرعتي يكنواخت و معين حركت مي‌كند. در حركت يا گسيلموج مكانيكي ، ماده منتقل نمي‌شود. اگر ارتعاش ذرات در جهت عمود بر انتشار صوتباشد، موج عرضي است كه بيشتر در جامدات رخ مي‌دهد و در صورتي كه ارتعاش در راستايانتشار امواج باشد، موج طولي است. انتشار در بافتهاي بدن به صورت امواج طولي است. از اين رو در پزشكي با اينگونه امواج سر و كار داريم.

روشهاي توليد امواج فراصوت

روش پيزو الكتريسيته

تاثير متقابل فشارمكانيكي و نيروي الكتريكي را در يك محيط اثر پيزو الكتريسيته مي‌گويند. بطور مثالبلورهايي وجود دارند كه در اثر فشار مكانيكي ، نيروي الكتريكي توليد مي‌كنند وبرعكس ايجاد اختلاف پتانسيل در دو سوي همين بلور و در همين راستا باعث فشردگي وانبساط آنها مي‌شود كه ادامه دادن به اين فشردگي و انبساط باعث نوسان و توليد امواجمي‌شود. مواد (بلورهاي) داراي اين ويژگي را مواد پيزو الكتريك مي‌گويند. اثر پيزوالكتريسيته فقط در بلورهايي كه داراي تقارن مركزي نيستند، وجود دارد. بلور كوارتزاز اين دسته مواد است و اولين ماده‌اي بود كه براي ايجاد امواج فراصوت از آناستفاده مي‌شد كه اكنون هم استفاده مي‌شود.

اگر چه مواد متبلور طبيعي كهداراي خاصيت پيزو الكتريسيته باشند، فراوان هستند. ولي در كاربرد امواج فراصوت درپزشكي از كريستالهايي استفاده مي‌شود كه سراميكي بوده و بطور مصنوعي تهيه مي‌شوند. از نمونه اين نوع كريستالها ، مخلوطي از زيركونيت و تيتانيت سرب (Lead zirconat & Lead titanat) است كه به شدت داراي خاصيت پيزوالكتريسيته مي‌باشند. به اينمواد كه واسطه‌اي براي تبديل انرژي الكتريكي به انرژي مكانيكي و بالعكس هستند، مبدليا تراسديوسر (transuscer) مي‌گويند. يك ترانسديوسر اولتراسونيك بكار مي‌رود كهعلامت الكتريكي را به انرژي فراصوت تبديل كند كه به داخل بافت بدن نفوذ و انرژيفراصوت انعكاس يافته را به علامت الكتريكي تبديل كند.

روش مگنتو استريكسيون

اين خاصيت در موادفرومغناطيس (مواد داراي دو قطبي‌هاي مغناطيسي كوچك بطور خود به خود با دو قطبي‌هايمجاور خود همخط شوند) تحت تاثير ميدان مغناطيسي بوجود مي‌آيد. مواد مزبور در اينميدانها تغيير طول مي‌دهند و بسته به فركانس (شمارش زنشهاي كامل موج در يك ثانيه) جريان متناوب به نوسان در مي‌آيند و مي‌توانند امواج فراصوت توليد كنند. اين مواددر پزشكي كاربرد ندارند و شدت امواج توليد شده به اين روش كم است و بيشتر كاربردآزمايشگاهي دارد.

كاربرد امواج فراصوت

1. كاربرد تشخيصي (سونوگرافي)

2. بيماريهاي زنان و زايمان (Gynocology) مانند بررسي قلب جنين ، اندازه ‌گيري قطر سر (سن جنين) ، بررسي جايگاهاتصال جفت و محل ناف ، تومورهاي پستان.

3. بيماريهاي مغز و اعصاب (Neurology) مانند بررسي تومور مغزي ، خونريزي مغزي به صورت اكوگرام مغزي يااكوانسفالوگرافي.

4. بيماريهاي چشم (ophthalmalogy) مانند تشخيص اجسامخارجي در درون چشم ، تومور عصبي ، خونريزي شبكيه ، اندازه ‌گيري قطر چشم ، فاصلهعدسي از شبكيه.

5. بيماريهاي كبدي (Hepatic) مانند بررسي كيست و آبسه‌كبدي.

6. بيماري‌هاي قلبي (cardology) مانند بررسي اكوكار ديوگرافي.

7. دندانپزشكي مانند اندازه‌گيري ضخامت بافت نرم در حفره‌هاي دهاني.

8. اين امواج به علت اينكه مانند تشعشعات يونيزان عمل نمي‌كنند. بنابراينبراي زنان و كودكان بي‌خطر مي‌باشند.

9. كاربرد درماني (سونوتراپي)

10. كاربرد گرمايي

با جذب امواج فراصوت بوسيله بدن بخشي از انرژيآن به گرما تبديل مي‌شود. گرماي موضعي حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودي را تسريعمي‌كند. قابليت كشساني كلاژن (پروتئيني ارتجاعي) را افزايش مي‌دهد. كشش در scars (اسكار=جوشگاههاي زخم) افزايش مي‌دهد و باعث بهبود آنها مي‌شود. اگر اسكار بهبافتهاي زيرين خود چسبيده باشد، باعث آزاد شدن آنها مي‌شود. گرماي حاصل از امواجفراصوت با گرماي حاصل از گرمايش متفاوت است.

ميكروماساژ مكانيكي

به هنگام فشردگي و انبساطمحيط ، امواج طولي فراصوتي روي بافت اثر مي‌گذارند و باعث جابجايي آب ميان بافتي ودر نتيجه باعث كاهش ورم (تجمع آب ميان بافتي در اثر ضربه به يك محل) مي‌شوند.

درمان آسيب تازه و ورم :آسيب تازه معمولا با ورم همراه است. فراصوت دربسياري از موارد براي از بين بردن مواد دفعي در اثر ضربه و كاهش خطر چسبندگي بافتهابهم بكار مي‌رود.

درمان ورم كهنه يا مزمن :فراصوت چسبندگيهايي كه ميانساختمانهاي مجاور ممكن است ايجاد شود را مي‌شكند.

خطرات اولتراسوند

سوختگي

اگر امواج پيوسته و در يك مكان بدونچرخش بكار روند، در بافت باعث سوختگي مي‌شود و بايد امواج حركت داده شوند.

پارگي كروموزومي

استفاده درازمدت از امواج اولتراسوند با شدت خيلي بالا پارگي در رشته دي ان اي (DNA) را نشانمي‌دهد.

ايجاد حفره يا كاويتاسيون

يكي از عوامل كاهش انرژي امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهاي بدنايجاد حفره يا كاويتاسيون مي‌باشد. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظه‌اي حبابهايگاز غير قابل ديدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهاي امواج اولتراسوند در داخل محلولهامي‌تواند بر روي بافتها تغييرات بيولوژيكي ايجاد كند (پارگي در ديواره سلولها و ازهم گسستن مولكولهاي بزرگ

زمين لرزه:

زمين لرزه،‌تكان ناگهاني و سريع زمين در اثر آزادشدن انرژي ذخيره شده در سنگهاست. ممكن است اين انرژي ساليان سال در سنگ ذخيره شده و سپس ظرف چند ثانيه يا چند دقيقه آزاد شود. اكثر زمين لرزه ها،‌آنقدر كوچكند كه انسان آنها را حس نمي كند. از سوي ديگر، بعضي از زمين لرزه ها،‌خرابيهاي زيادي به بار مي آورند و صدهاهزار نفر را مي كشند. خطوط صورتي و نقاط موجود روي نقشه جهان بال، مناطق فعال لرزه اي را نشان مي دهند.

دو كمربنداصلي لرزه خيز در دنيا وجود دارد. يكي كمربند سيركوم- آرام كه اقيانوس آرام را دربرمي گيرد و ديگري كمربند آلپ كه بخشهايي از اروپا و آسيا را دربر مي گيرد. كمربند سيركوم- آرام، سواحل غربي آمريكاي شمالي و آمريكاي جنوبي، ژاپن و فيليپين را شامل مي شود.

سالانه،‌ميليونها زمين لرزه در زمين رخ مي دهد. اكثر زمين لرزه ها فقط چند ثانيه طول مي كشند اما ممكن است زمين لرزه هاي بزرگ چند دقيقه طول بكشند. تقريبا 90 درصد زمين لرزه ها در مرز ورقه ها رخ مي دهند يعني در جايي كه دو ورقه به هم برخورد مي كنند،‌از هم دور مي شوند يا در كنار هم مي لغزند. هنگامي كه اين ورقه ها، به طور ناگهاني حركت مي كنند، مقادير بسيار زيادي انرژي آزاد مي شود كه تبديل به حركت امواج مي شود. امواج زمين لرزه، شبيه امواج صوتي و امواج آب هستند. چرخش اين امواج در پوسته زمين است كه‌ سبب فروريختن ساختمانها،‌ شكستن پلها،‌بالاآمدگي كوهها، فرونشست زمين و در بعضي موارد، ايجاد شكافهاي بزرگ در زمين مي شود.

زمين لرزه ها به چه علت رخ مي دهند؟ دانشمندان اعتقاد دارند كه حركت ورقه هاي زمين، سنگها را خم كرده و باعث خروج آب از آنها مي شود لرزه شناسي چيست؟

لرزه شناسي مطالعه زمين لرزه ها و امواج لرزه اي است كه از درون زمين و در اطراف آن حركت مي كنند. لرزه شناس، دانشمندي است كه زمين لرزه ها و امواج لرزهاي را بررسي مي كند.

امواج لرزه اي چيست؟

امواج لرزه اي امواج انرژي داري هستند كه در اثر شكستن ناگهاني سنگهاي درون زمين يا در اثر انفجارايجاد مي شوند. اين امواج انرژي دار از درون زمين عبور مي كنند و توسط لرزه نگاشتها ثبت مي شوند.

انواع امواج لرزه اي:

انواع مختلفي از امواج لرزه اي وجود دارد كه به شيوه هاي مختلفي حركت مي كنند. دو نوع اصلي امواج لرزه اي عبارتند از امواج پيكري و امواج سطحي. امواج پيكري، از لايه هاي دروني زمين عبور مي كنند اما امواج سطحي فقط در سطح زمين، مانند موجهاي روي آب، جابه جا مي شوند. زمين لرزه،‌انرژي لرزه اي را هم به صورت امواج پيكري و هم به صورت امواج سطحي، منتشر مي كند.

امواج پيكري:

موج P:

نوع اول امواج پيكري، امواج P يا امواج اوليه هستند. اين موج، سريعترين نوع موج لرزه اي است. موج P، مي تواند از ميان سنگ جامد و سيالات، مانند آب يا لايه هاي سيال زمين، عبور كند. اين موج، ‌سنگ را فشار داده و مي كشد، همانطور كه امواج صوتي، هوا را فشار داده و مي كشند. آيا شما تا به حال صداي تق تق پنجره ها را به هنگام رعدو برق شنيده ايد؟ تق تق پنجره ها، به علت امواج صوتي است كه روي شيشه پنجره فشرده شده و كشيده مي شوند مانند موج P كه سنگ را فشرده كرده و مي كشد. گاهي اوقات، حيوانات مي توانند امواج P زمين لرزه را بشنوند. معمولا ما فقط مي توانيم تكان اين امواج را حس كنيم.

فلش جهتي را كه موج حركت مي كند، نشان مي دهد.

موجS:

نوع دوم امواج پيكري، موج S يا موج ثانويه است و دومين موجي است كه به هنگام زمين لرزه آن را احساس مي كنيد. سرعت موج S كمتر از موج P مي باشد و تنها از سنگ جامد عبور مي كند. اين موج سنگ را به بالا و پايين يا به دو طرف حركت مي دهد.

فلش جهتي را كه موج حركت مي كند، نشان مي دهد.

امواج سطحي:

موج لاو:

نوع اول امواج سطحي، موج لاو ناميده مي شود كه به افتخار A.E.H. لاو، رياضيدان انگليسي به اين نام ناميده شده است وي در سال 1911، روي مدل رياضياتي اين امواج كار كرد. اين موج، سريعترين موج سطحي است و زمين را از يك طرف به طرف ديگر حركت مي دهد.

فلش جهتي را كه موج حركت مي كند، نشان مي دهد.

موج ريلاي:

نوع ديگر امواج سطحي، موج ريلاي است كه به افتخار جان ويليام استروت، لرد ريلاي، به اين نام ناميده شده است وي در سال 1885، با روشهاي رياضياتي وجود اين نوع موج را پيش بيني كرد. موج ريلاي، روي زمين مي چرخد، درست مثل موجي كه روي درياچه يا اقيانوس مي چرخد. چون اين موج مي چرخد، زمين را به سمت بالا و پايين حركت مي دهد و در همان جهتي كه موج حركت مي كند، زمين را از يك طرف به طرف ديگر حركت مي دهد. اكثر تكانهايي كه به هنگام زمين لرزه احساس مي شود به علت موج ريلاي است كه مي تواند از بقيه امواج، خيلي بزرگتر باشد.

گاهي اوقات اين خمش و آبگيري، فشار زيادي روي سنگها ايجاد مي كند. سنگها تا حدودي الاستيك هستند و مي توانند بدون شكست خم شوند. آيا تا به حال يك نوار لاستيكي را كشيده ايد؟ شما مي دانيد كه اگر كشش را خيلي زياد كنيد، نوار لاستيكي پاره خواهد شد. لايه هاي سنگي ه تقريبا به همين صورت عمل مي كنند. اگر فشارخيلي زياد شود، لايه هاي سنگي شكسته شده و حركت مي كنند. هنگامي كه اين پديده رخ مي دهد، لايه ها در امتداد شكاف موجود در پوسته زمين، كه گسل ناميده مي شود، حركت مي كنند يا انرژي آزاد شده خط گسلي جديدي را ايجاد خواهد كرد. گسيختگي سنگها و حركت حاصل از آن، منجر به زمين لرزه مي شود.

اين عكس، عكس هوايي گسل سان آندرياس در كاليفرنياست. پيكانهاي قرمزكه شكاف پوسته را نشان مي دهند كه همان گسل سطحي است. اين گسل مرز ميان دو ورقه بزرگ است، ورقه آمريكاي شمالي و ورقه آرام. اين دو ورقه در جهات مخالف در امتداد هم مي لغزند. اين نوع مرز، مرز امتداد لغز ناميده مي شود. مرز امتداد لغز در واقع يك پارگي در پوسته زمين است. پيكانهاي سياه جهت حركت دو ورقه را نشان مي دهند.

اين خط گسلي احتمالا از همه مرزهاي انتقالي ديگر در دنيا بيشتر بررسي شده است. بسياري از زمين لرزه هايي كه هر ساله در گسل سان آندرياس رخ مي دهند، در كاليفرنيا، از ساحل مكزيكودر شرق سانديگو تا منطقه سانفرانسيسكو احساس مي شوند. كارت بعدي تخريبي را نشان مي دهد كه در طي زمين لرزه 11971 سانفرانسيسكو به وجود آمد.

اين عكس هوايي تخريبي را نشان مي دهد كه در زمين لرزه 2 فوريه 1971 در سان فرانسيسكو به وجود آمد. در طي اين زمين لرزه،‌پل آزادراه و جاده ها به شدت آسيب ديدند.

هنگامي كه سنگها گسيخته مي شوند، آزاد شدن انرژي سبب به وجود آمدن زمين لرزه مي شود. همانطور كه انرژي باد سبب مي شود كه امواج آب در درياچه يا اقيانوس حركت كنند،‌امواج لرزه اي هم از ميان لايه هاي زمين حركت مي كنند. اين امواج لرزه اي هستند كه باعث تخريب مي شوند و همانطور كه از زمين عبور مي كنند، مي توانند سبب لرزش و ايجاد ترك در زمين شوند. امواج لرزه اي، از كانون به همه طرف منتشر مي شوند.

امواج فشارشي،‌ نوعي از امواج لرزه اي هستند. اين امواج اولين امواجي هستند كه به سطح زمين مي رسند. به همين علت، به آنها امواج P يا امواج اوليه هم مي گويند.

امواج P، سريعترين امواج لرزه اي هستند. اين امواج با سرعت بسيارزيادي حركت مي كنند،با سرعت14000 مايل در ساعت در سطح تا بيش از 25000 مايل در ساعت در هسته زمين. امواج P قادرند از كل زمين عبور كنند. هنگامي كه امواج P به جسمي برخورد كنند، آن را فشار داده و مي كشند، مانند ضربات موتور قطاربه واگن كه به واگن بعدي انتقال مي يابد و به اين ترتيب تمام واگنهاي قطار حركت مي كنند. اين حركت مته اي، نخستين نشانه رخداد زمين لرزه است.

همانطور كه موج از يك خانه عبور مي كند خانه فشرده شده و كشيده مي شود. اگر خانه به اندازه كافي مستحكم نباشد، فرومي ريزد.

امواج برشي اندكي بعد از موج P به سطح مي رسند به همين علت آنها را امواج S يا امواج ثانويه مي نامند. سرعت امواج S تقريبا نصف سرعت امواج P است.اين امواج، در جهت حركت خود جسم را به بالا و پايين حركت مي دهند.

موج S فقط از جامدات عبور مي كند و به همين علت فقط از پوسته و گوشته زمين عبور مي كند. هنگامي كه موج S به هسته خارجي، كه از آهن و نيكل مايع تشكيل شده، مي رسد موج متوقف مي شود.

امواج سطحي سومين نوع موج هستند. اين امواج بيشترين تخريب را ايجاد مي كنند. اين امواج. در نتيجه رسيدن امواج P و S به سطح زمين به وجود مي آيند. سرعت اين امواج كمتر از امواج P و S است. امواج سطحي فقط در سطح زمين حركت مي كنند همانطور كه امواج آب فقط در سطح آب حركت مي كنند.

دو نوع موج سطحي وجود دارد: امواج لاو و امواج ريلاي. امواج لاو شبيه امواج S حركت مي كنند اما حركت اجسامي كه در مسير آنها قرار دارند به جاي بالا و پايين، از يك طرف به طرف ديگر است. امواج ريلاي شبيه امواج آب حركت مي كنند. امواج ريلاي، در مسيري مدور حركت مي كنند.

بزرگاي ريشتر، عددي است كه براي اندازه گيري بزرگي زمين لرزه به كار مي رود. بزرگا، اندازه گيري انرژي و قدرت امواج لرزه اي است كه از كانون منتشر شده اند. دانشمندان براي تعيين قدرت زمين لرزه از لرزه نگاشت استفاده مي كنند. لرزه نگاشت، ابزاري است كه مقدار حركت زمين را به هنگام زمين لرزه اندازه گيري مي كند.

هر عدد در مقياس ريشتر زمين لرزه اي را نشان مي دهد كه ده برابر قويتراز عدد قبلي است.

مثال: زمين لرزه اي با بزرگاي 6، ده برابر قويتر از زمين لرزه اي با بزرگاي 5 است. زمين لرزه اي با بزرگاي 9، ده هزار برابر قويتر از زمين لرزه اي با بزرگاي 5 است.

بزرگترين زمين لرزه اي كه تا كنون اندازه گيري شده است، در سال 1906، با بزرگاي 9/8 در سواحل اكوادور رخ داد. زمين لرزه هاي با بزرگاي 6 و يا بيشتر، زمين لرزه هاي مهمي هستند. زمين لرزه هاي با بزرگاي 7 و يا بيشتر قادرند خسارات زيادي به وجود آورده و تعداد زيادي از انسانها را بكشند.

هريك از گرافهاي اين صفحه، يكي از زمين لرزه هايي را كه روي لرزه نگار خوانده شده اند را نشان مي دهند. امواج لرزه اي، وسيله اي نوشتاري را حركت مي دهند كه بزرگاي زمين لرزه و طول زمان لرزش زمين در طي زمين لرزه را نشان مي دهد.

قدرت يا بزرگا، به صورت خطوط عمودي(بالا و پايين) ثبت مي شود. زمين لرزه قويتر، روي گراف خطوط طويلتري ايجاد مي كند.

دوام لرزه اي(مدت زماني كه زمين مي لرزد)، به صورت خطوط افقي نشان داده مي شود. دوام لرزه اي در گراف بالايي، حدود 40ثانيه است. هر يك از واحدهاي روي گراف، دوام يك دقيقه را نشان مي دهد. زمين لرزه پاييني حدود يك دقيقه و بيست ثانيه طول كشيده است.

كدام زمين لرزه قويتر بوده است؟