معدن ، اشتق اسمه من كلمة يونانية والتي كانت مسمى قديماً للحجر.
الكابازيت هو أحد معادن مجموعة الزيوليت ، حيث تضم هذه المجموعة عدداً كبيراً من المعادن السيليكاتية المائية Ca, (Al2Si4O12) 6H2O
وتوجد به نسبة من الصوديوم ، ويمكن أن تختلف نسبة الكالسيوم إلى الصوديوم ، كما أن عنصر البوتاسيوم يدخل عادة في التركيب الكيميائي للمعدن ولكن بنسبة ضئيلة جداً .
وتبلغ نسبة أكسيد الكلسيوم 14.52% ، وأكسيد الألومنيوم 26.39% ، والسيليكا 31.1% والماء 27.99% .
ويتميز معدن الكابازيت ببلورات ذات أشكال معينية الأوجه تتبع فصيلة الثلاثي.
وتوجد عادة على هيئة توائم متداخلة. اللون أبيض أو أصفر أو وردي شفاف أو نصف شفاف البريق زجاجي ، المخدش أبيض ، الصلادة = 4-5 الانفصال معيني ضعيف يوازي المسطوح {1101} ، المكسر غير مستو ، والوزن النوعي يتراوح ما بين 1.05 إلى 2.51 ويتحلل المعدن بوساطة حمض الهيدروكلوريك ، ولكن دون حدوث فوران.
وبهذه الخاصية يمكن التمييز بين بلورات الكابازيت وبلورات معدن الكلسيت التي تشبهها في الهيئة وطريقة الانفصام ، حيث يتفاعل الكالسيت مع حمض الهدروكلوريك مع حدوث فوران .
والكابازيت معدن ثانوي النشأة ، ويوجد في الطبيعة مصاحباً معادن الزيوليت الأخرى ومعدن الكالسيت ، مبطناً للفجوات في صخر البازلت والصخور النارية القاعدية المشابهة له .
وتوجد كميات كبيرة من المعدن في ايرلندا ، وبوهيميا وترنتينو بإيطاليا ، وأوبرشتين بألمانيا وبعض الولايات الأمريكية .
ويستخدم معدن الكابازيت في كثير من الأغراض مثل عملية امتصاص وامتزاز الغازات ، وفي عمليات التبادل الكاتيوني ، إلا أن الزيوليت الصناعي أصبح هو الأكثر استعمالاً في هذه الأغراض في الوقت الحاضر .
بات الفيزيائيون على وشك وضع ما يُطلق عليه اسم "النظرية الموحدة العظمى"، التي لن تقوم بتوحيد القوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة فحسب، بل ستشمل أيضاً القوة الشديدة.
تبين النظريات الرياضية المتعلقة بهذه القوى الثالث أوجه التشابه بينها التي تشير إلى احتمال صحة هذه النظرية.
إن وضع نظرية توحد كل أشكال القوى الأربع يبدو امراً صعباً بما أن تركيبة الحسابات الرياضية للجاذبية تختلف اختلافاً كلياً، وتظل نظرية أينشتاين للنسبية العامة أفضل ما لدينا من نظريات لفهم قوة الجذب.
لكن الفيزيائيين العاملين على وضع نظرية توحيد كاملة أصبحت لديهم بعض المعلومات المثيرة للاهتمام، ومن أهمها خمس نظريات "وترية" مختلفة.
وطبقا جميع هذه النظريات ينبغي ألاّ ننظر إلى الجسيمات كأجسام شبيه بالنقاط وإنما كأوتار متذبذبة، كما تفترض هذه النظريات وجود القوى الأربع ضمن عشرة أبعاد.
كما أن هذه "النظريات الوترية" تثير اهتمام الفيزيائيين لأن الأسس الرياضية تبدو قاردة على تفسير الجاذبية.
وأشارت الدلائل في الآونة الاخيرة إلى أن النظريات الوترية الخمس هي في واقع الأمر نسخ معدلة عن نظرية أساسية واحدة يُشار إليها حالياً باسم" نظرية (M)".
لا نعرف متى سنصبح قادرين على توحيد قوى الطبيعة الأساسية الأربع، وقد يتمكن أحد طلاب الفيزياء الشباب غداً من اكتشاف الجواب، أو ربما يستغرق حلّ هذا اللغز خمسين أو مئة سنة أخرى من جهد مجموعات من الفيزيائيين النظريين، لكننا نعرف شيئاً واحداً تمام المعرفة.
عندما تظهر نظرية توحيد القوى إلى حيّز الوجود فإنها ستساعدنا على إعادة صياغة فهمنا لأنفسنا وللكون الذي نعيش فيه.
شكل التفاوت في كتلة حوامل القوى المعروفة جزءاً من سؤال اكبر حيّر الفيزيائيين: ما السبب في وجود كتلة للجسيمات؟
قدّم الفيزيائي الاسكتلندي بيتر هيغز جواباً محتملاً عن ذلك السؤال في منتصف ستينيات القرن العشرين حين أشارت نظريته إلى وجود مجال مشابه للشبكة يملأ الكون كله.
فعند مرور جسيم عبر هذا المجال يحدث تشوش يمنح الجسيم كتلته، وتتوقف كتلة هذا الجسيم على مدى شدة تفاعله مع هذا المجال.
وطبقاً لنظرية هيغز فإن هذا التفاعل يخضع إلى نوع جديد من الجسيمات حاملة القوة يُطلق عليها الآن اسم "بوزون هيغز"، وبما أن هذا "البوزون" الافتراضي مسؤول عن كل المادة الموجودة في الكون فقد بات معروفاً باسم "الجسيم الإلهي".
يقترب الباحثون الآن من إثبات أو عدم وجود "بوزون هيغز". وذلك بالاستعانة بمسرّعات الجسيمات، وفي حال العثور على البوزون فإن هذا الاكتشاف سيؤدي إلى دراسة دقيقة شاملة مع إجراء التغييرات اللازمة لنموذجنا القياسي الذي تخضع له الجسيمات والقوى التي تؤثر فيها.
نشأ الكون منذ حوالي ثلاثة عشر مليار سنة بحدوث "الانفجار العظيم"، ويعتقد الفيزيائيون أنه خلال اللحظات الأولى بعد هذا الانفجار كانت القوى الأساسية الأربع في واقع الأمر عبارة عن قوة واحدة فقط، ولم تنشأ قوى التجاذب والكهرومغناطيسية والشديدة والضعيفة إلا عندما أصبح الكون بارداً .
لقد حاول الفيزيائيون منذ مدة طويلة أن يعودوا بالزمن أملاً باكتشاف الوحدة الأساسية التي جمعت أشكال القوة المختلفة في الطبيعة.
ويمكن القول إن الاكتشاف الذي بيّن لنا أن المغناطيسية والكهرباء عبارة عن قوة واحدة كان بمنزلة الخطوط الأولى نحو توحيد أشكال القوة في الطبيعة.
وفي القرن العشرين حاول ألبرت أينشتاين القيام بالخطوة التالية عندما جرّب التوفيق بين قوانين التجاذب بناءً على نظريته النسبية العامة، وقوانين ماكسويل المعلقة بالكهرومغناطيسية، لكن رغم الجهود الممتدة على ثلاثين سنة أخفق أينشتاين في تطوير نظرية ميدانية موحدة وكاملة.
نظرية القوة الكهروضعيفة
أحرز العلماء تقدماً مهماً عبر السنوات القليلة الماضية من خلال التركيز على توحيد أشكال القوة، ما جعل البحث عن موضوع التوفيق بين القوى الأربع أحد أكثر المجالات نشاطاً في الفيزياء الحديثة، وتمثل النجاح الأكبر في هذا المجال الدراسي بتطوير نظرية "القوة الكهروضعيفة".
ففي ستينيات القرن العشرين قام ثلاثة من علماء الفيزياء وهم: شيلدون غلاشو وعبد السلام وستيفن واينبرغ، ببذل جهود مستقلة في محاولة منهم للتوفيق بين التناقضات القائمة في فهمنا للقوة الضعيفة من خلال تطبيق المبادئ المستمدة من نظرية القوة الكهرومغناطيسية.
وقد استطاع هؤلاء العلماء من خلال الحسابات الرياضية أن يبرهنوا على أن القوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة وجهان مختلفان لقوة واحدة، وفي العام 1978 أثبتت التجارب صحة هذه النظرية ونال كل من غلاشو وعبد السلام وواينبرغ جائزة نوبل تقديراً لجهودهم الريادية.
لقد ساعدت نظرية القوة الكهروضعيفة الفيزيائيين على بناء النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهذا النموذج القياسي هو عبارة عن نظرية تصف كل الجسيمات المعروفة بالإضافة إلى القوى الثلاث (الكهرومغناطيسية والضعيفة والشديدة) التي تؤثر في تلك الجسيمات.
وبالتالي أسست هذه النظرية ثلاث فصائل للجسيمات الأولية وهي: "الكواركات" و"الليبتونات" و"البوزونات". تُعدّ البوزونات حاملات قوة، وتتألف البوزونات المعروفة من الفوتون (حامل القوة الكهرومغناطيسية)، و"الجلوون" (حامل القوة الشديدة) وجسيمات (W) و(Z) (حاملات القوة الضعيفة).
كما يفترض الفيزيائيون وجود جسيم رابع أطلقوا عليه اسم "جرافتون" مهمته حمل قوة الجذب لكنهم لم يتمكنوا من إثبات وجوده عن طريق الملاحظة.
لقد طرحت النظرية الكهروضعيفة العديد من التساؤلات الجديدة أيضاً حول كيفية توحيد ظاهرتين غير مرتبطتين فيما يبدو بأي صلة، وعلى سبيل المثال تعمل القوة الكهرومغناطيسية على نطاق لا محدود، بينما تعمل القوة الضعيفة فقط على مسافات أصغر من نواة الذرّة.
كما أن التفاوت في كتلة حوامل القوتين غير اعتيادي؛ لأن الفوتون لا كتلة له بينما تعدّ جسيمات (W) و(Z) من أكبر الجسيمات الأولية.
مع أن التفاعلات الضعيفة على كوكبنا الأرضي تُعدّ نادرة، إلا أنها تؤدي دوراً في بعض الظواهر المألوفة، ومثال ذلك التأريخ بالكربون المشعّ المستخدم في تحديد تاريخ الأجسام القديمة.
وتشتمل معظم عملية التأريخ بالكربون المشعّ على استخدام (الكربون 14)، الذي يتحول خلال اضمحلال بيتا إلى نيتروجين مع مرور الزمن.
ويستطيع العلماء من خلال قياس كمية (الكربون 14) والنيتروجين الموجودة في جسم ما لتحديد عمر هذا الجسم، كما أن التفاعل الضعيف مسؤول عن انحلال الرادون (وهو عنصر غازي مشع)، وقد تبين ارتباط الرادون المتحلل الموجود في المنازل بإصابات سرطان الرئة.
ولكن بمعزل عن اضمحلال بيتا فإن القوة الضعيفة لها أعظم الأثر في عالمنا؛ لأنها تتحكم بعملية اندماج الهيدروجين التي تتحد خلالها أربع نُوى هيدروجين لتكوّن جسيمات (النيوترينو) ونواة هليوم، كما أن اندماج الهيدروجين هو الذي يولّد طاقة الشمس.
وبما أن حرارة الشمس وطاقتها توفران إمكانية الحياة على كوكب الأرض، فإننا ندين نوعاً ما بوجودنا كله إلى القوة الضعيفة.
أظهرت دراسة حديثة عن "القوة الضعيفة" اشتراك جسيم آخر في عملية اضمحلال بيتا، ففي سبعينيات القرن العشرين افترض الفيزيائيون أن القوة الضعيفة، مثل القوة الشديدة، تتطلب حامل قوة.
وفي العام 1983 لاحظ عدد من الباحثين في سويسرا من خلال الاستعانة بمسرّع الجسيمات المتوافر في أضخم مختبر لفيزياء الجسيمات لدى المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (المعروفة أيضاً بالاسم المختصر (CERN) "سيرن") وجود هذا الجسيم الملقب بـ "جسيم W" نسبة إلى اسم القوة الضعيفة " (weak force).
وبعد ثلاثة أشهر اكتشف فيزيائيو مختبرات "سيرن" جسيماً ثانياً يرتبط بالتفاعلات الضعيفة أيضاً وأطلقوا عليه اسم "جسيم Z" وفي العام التالي نال هؤلاء الباحثون جائزة نوبل في الفيزياء تقديراً لاكتشافاتهم.
تُعد جسيمات (W) و (Z) كبيرة نسبياً، لكن عمرها قصير، إذ يستغرق وجودها جزءاً من الثانية فقط، وهي الفترة اللازمة لأداء دورها في عملية انحلال (تفكك) الجسيم أثناء التفاعل الضعيف.
وفي اضمحلال بيتا على سبيل المثال، يتحول النيوترون أولاً (بشحنة قيمتها صفر) إلى بروتون (بشحنة +1) وجسيم (W) (بشحنة -1)، ثم يتحول جسيم (W) مباشرة إلى إلكترون (بشحنة -1).
ثم إلى نيوترينو (بشحنة صفر)، وتبلغ الشحنة الكلية من انحلال (أو تفكك) النيوترون (صفر)، وبذلك تكون الشحنة الكلية خاضعة لقانون الفيزياء الأساسي الذي يقضي بحفظ الشحنة وبقائها.
ساد بين الفيزيائيين مفهوم راسخ عن قوة الجذب والقوة المغناطيسية لأكثر من مئة عام.
لكنهم لم يؤكدوا النظريات السابقة حول القوى الأساسية الأخرى المتمثلة بالقوة الضعيفة والقوة الشديدة إلا عبر العقود القليلة الماضية فقط.
إذ لم يتحقق فهم هاتين القوتين إلا بعد ظهور ميكانيكا الكمّ، ويتناول هذا الفرع من الفيزياء سلوك الجسيمات الأولية التي تتكوّن منها كل المواد.
اكتشاف القوة الشديدة
بدأت الدراسة العلمية للذرّات كجسيمات أساسية في القرن التاسع عشر، لكن الفيزيائيين أكدوا في العقد الثاني من القرن العشرين أن الذرّات نفسها تتكوّن من جسيمات أصغر حجماً.
وتم تحديد هذه الجسيمات في النماذج الأولى للذرّة على أنها بروتونات (موجبة الشحنة) وإلكترونات (سالبة الشحنة) ونيوترونات (متعادلة كهربائياً، أي لا شحنة لها ).
غير أن هذا النموذج طرح مشكلة بالنسبة للفيزيائيين، إذ ينبغي أن تتنافر البروتونات ذات الشحنة الموجبة الموجودة داخل نواة الذرّة مع بعضها بعضا وفقاً لقوانين القوة المغناطيسية.
وفي الوقت نفسه ايضاً لابدّ أن تنجذب البروتونات إلى بعضها بعضا بفعل قوة الجذب، لكن هذه القوة تُعدّ أضعف من القوة الكهرومغناطيسية بشكل ملحوظ، ولو كانت هذه القوى هي القوى الوحيدة الناشطة في الذرّة لما تمكنت الذرّة من المحافظة على تماسكها لفترة طويلة.
لم يتم حلّ هذا اللغز إلا عندما أصبح نموذج الذرّة الذي وضعه الفيزيائيون أكثر تطوراً، وباتوا على يقين الآن من أن البروتونات والنيوترونات مكوّنة أيضاً من جسيمات أدقّ يُطلق عليها اسم "كوارك" (أو كواركات)، حيث يتألف كل بروتون ونيوترون من ثلاثة كواركات.
لكن ثمة جسيم أخر يرتبط بالقوة التي تجذب الكوراكات في البروتون الواحد إلى كواركات البروتون الآخر، ويُطلق على هذه الجسيمات اسم "جلوون" وخلال تبادل هذه الجلوونات تتماسك كواركات البروتونات مع بعضها بواسطة قوة الجذب، ما يجعلها تتغلب على قوة تنافر شحناتها الكهربائية المتماثلة.
لقد أصبحت هذه القوة التي تحافظ على تماسك النواة تُعرف الآن باسم "القوة الشديدة" والتي يدوم أثرها لفترة زمنية قصيرة جداً فقط، لكن كما يشير اسمها فإنها تتصف نسبياً بالقوة.
اكتشاف القوة الضعيفة
تعمل "القوة الضعيفة" مثل القوة الشديدة، على المستوى دون الذرّي فقط، مثل القوة الشديدة أيضاً، افترض الفيزيائيون وجود القوة الضعيفة منذ زمن طويل قبل أن يتمكنوا من إثبات ذلك.
أشارت تجارب الفيزيائي الإنجليزي إرنست رذرفورد في السنوات الأولى من القرن العشرين إلى وجود ثلاثة أنواع من الأشعة وهي: ألفا، وبيتا، وغاما.
وبعد أن أجرى الفيزيائيون مزيداً من التجارب على تلك الظواهر اكتشفوا أن أشعة ألفا وغاما يمكن تفسيرهما وفقاً للقوانين التي تخضع لها قوة الجذب والقوة الشديدة.
لكن تبين أن اضمحلال بيتا ينطوي على الغموض، فالعنصر المشع يواجه اضمحلال بيتا عندما تكون نُوى ذرّاته غير مستقرة بسبب زيادة عدد النيوترونات.
وعند اضمحلال (أو تفكك) النيوترون فإنه يقذف إلكتروناً سالب الشحنة ويتحول خلال هذه العملية إلى بروتون موجب الشحنة، غير أن المشكلة التي واجهها الفيزيائيون تمثلت في عدم معرفة مصير كمية محددة من الطاقة المحررة أثناء التبادل.
افترض الفيزيائي الألماني ولفغانغ باولي أول الأمر أن جسيماً آخر، لم يكن معروفاً من قبل، يتحرر أثناء اضمحلال بيتا، وأن هذا الجسيم هو الذي يفسّر سبب الطاقة الزائدة، واعتماداً على فرضيات باولي، أطلق الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي على هذا الجسيم الجديد اسم "نيوترينو" لأنه متعادل كهربائياً، أي لا شحنة له.
كما افترض فيرمي وجود قوة رابعة في الطبيعة تعمل على تنظيم تحوّل النيوترون إلى إلكترون، ومن ثم إلى بروتون وأخيراً إلى نيوترينو.
وفي العام 1959 أكدت التجارب وجود النيوترينو، مما أثبت صحة أفكار فيرمي، وأصبحت القوة الرابعة معروفة باسم "القوة الضعيفة".
تفوق أهمية القوة الكهرومغناطيسية حدود مسؤوليتها عن الظواهر الطبيعية.
إذ إنها مسؤولة أيضاً عن تشغيل الآلات والأجهزة التي نعتمد عليها في حياتنا اليومية، فهذه القوة تقوم بتشغيل كل شيء بدءاً من آلات المصانع، مروراً بالمصابيح الكهربائية، وصولاً إلى الأجهزة المنزلية.
وفي الحقيقة إن قدرتنا على تسخير طاقة القوة الكهرومغناطيسية تُعدّ من الخصائص التي تميز عالمنا المعاصر.
المغناطيسات حولنا
تؤدي معظم المغناطيسات التي نلاحظها في حياتنا اليومية مهام غير مثيرة للاهتمام إلى حد ما، مثل بقاء ورقة ملاحظة صغيرة ملصقة على ثلاجة المطبخ، أو بقاء باب الخزانة مغلقاً.
لكن نشاط المغناطيسات بعيداً عن رؤيتنا المباشر يظل مستمراً في العديد من الآلات الصناعية والأجهزة المنزلية التي نستخدمها بصورة رتيبة.
ولا تتطلب المغناطيسات الدائمة مجالاً كهربائياً وتظل ممغنطة لفترة زمنية طويلة، وتستخدم في أنواع كثيرة من الآلات، مثل إشارات المرور الضوئية، وأجهزة رسم الزلازل التي تقيس شدة الهزات الأرضية والزلازل، وأجهزة تخطيط القلب التي تسجل نبضات قلب الإنسان بيانياً.
كما توجد المغناطيسات الدائمة في المخارط الصناعية المستخدمة في قص الخشب والمعادن، وفي الأحزمة الناقلة وغير ذلك من الأدوات والمعدات اليدوية.
في الحقيقة إن الكهرومغناطيسات تكاد تكون أكثر انتشاراً من المغناطيسات العادية، وعلى سبيل المثال تحتوي كل سماعة هاتف على مغناطيس كهربائي لتسجيل ذبذبات صوت المتحادثين، وكل شيء تقريباً يعمل بواسطة محرك كهربائي يستخدم أيضاً المغناطيس الكهربائي.
ونجد الكهرومغناطيسات (المغناطيسات الكهربائية) الصغيرة في معظم آلات المصانع، أما الكهرومغناطيسات الكبيرة فتستخدم في مصانع الفولاذ ومنشآت السكك الحديدية من أجل تحريك الأحمال الفولاذية والحديدية الثقيلة.
وفي المنزل تساعد الكهرومغناطيسات على تشغيل طيف واسع من الأجهزة نذكر منها على سبيل المثال خلاطات الطعام والغسالات والمثاقب وأدوات الحلاقة الكهربائية وما شابه ذلك .
المحركات والمولدات
في الحقيقة إن أي آلة تقريباً يعتمد تشغيلها على محرك كهربائي تحوي مغناطيساً؛ لأن المحركات تعمل بموجب مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، ووفقاً لهذا المبدأ إذا كان التيار الكهربائي يسري عبر سلك موجود ضمن مجال مغناطيسي، فإن القوة الكهرومغناطيسية تجعل السلك يتحرك.
وعند تشغيل المحرك ينتقل التيار عبر ملف من الأسلاك مثبت على محور محاط بمغناطيس، وبالتالي فإن مجاله المغناطيسي يسبب دوران السلك والمحور، وبهذه الطريقة تسمح القوة الكهرومغناطيسية للمحرك أن يحوّل الطاقة الكهربائية إلى قدرة ميكانيكية.
وتستفيد المولّدات الكهربائية من الحث المغناطيسي ولكن بأثر معاكس، إذ تحوّل هذه الأجهزة القدرة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
ففي المولّدة البسيطة يدور الموصل، الذي يتألف غالباً من ملف سلكي، بين قطبي مغناطيس، ويمرّ الملف عبر المجال المغناطيسي باتجاه واحد أول الأمر، ثم بالاتجاه الآخر؛ ونتيجة لذلك يسري تيار كهربائي متناوب (يتحرك باتجاه واحد ثم بالاتجاه الآخر) عبر الموصل.
وتتوقف شدة التيار على قوة المجال المغناطيسي، وطول الموصل، والسرعة التي يتحرك بها الموصل عبر المجال المغناطيسي، أما المولّدات الكبيرة فقد تحتوي على عدة ملفات ومغناطيسات بهدف زيادة الطاقة المنتجة.
لقد كان ابتكار المولّدة الكهربائية من الناحية العملية أهم نتيجة في اكتشاف الكهرومغناطيسية؛ لأننا نستطيع عن طريق هذه المولّدات الاستفادة بسهولة من الكهرباء، التي تُعدّ شكلاً مريحاً وسهلاً للغاية من أشكال الطاقة.
كما أن قدرتنا على توليد الكهرباء وتخزينها ونقلها تسمح لنا بتشغيل الآليات الصناعية وإنارة منازلنا وطرقاتنا، وتتيح لنا أيضاً تشغيل الأجهزة المتنوعة والحواسيب وأجهزة التلفزيون ومجموعة واسعة جدا من الأجهزة والمعدات الكهربائية الأخرى، ولولا فهمنا الحالي للقوة الكهرومغناطيسية لكانت الحياة الحديثة التي نعيشها مستحيلة.
تكوين الموجات
بشّرت معرفتنا بالقوة الكهرومغناطيسية في القرن التاسع عشر باقتراب العصر الصناعي، وفي القرن العشرين حثت هذه المعرفة على تطوير مرحلة أخرى باتت معروفة باسم "عصر المعلوماتية".
ومهّد فهم الفيزيائيين للموجات الكهرومغناطيسية الطريق أمام العديد من الاختراعات التي شكلت ثورة علمية في عالمنا المعاصر.
تنتقل جميع الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفراغ بسرعة قريبة من سرعة الضوء، غير أن تلك الموجات تختلف عن بعضها من حيث التردد الذي تتذبذب عنده مجالاتها الكهربائية والمغناطيسية.
وهذا ما يفسر تنوع الموجات المختلفة على الطيف الكهرومغناطيسي، بما في ذلك الموجات الدقيقة (الميكروية)، والموجات الراديوية، والموجات التلفزيونية، والموجات فوق البنفسجية، وأشعة غاما، والأشعة السينية (أشعة إكس).
وقد تعلم العلماء منذ فترة ليست ببعيدة كيفية تركيز الموجات الكهرومغناطيسية في حزم ليزرية يزيد استخدامها يوماً بعد يوم بدلاً من مباضع الجراحين (الأنصال المعدنية) أثناء العمليات الجراحية.
كما تساعد الموجات الكهرومغناطيسية على تسجيل البيانات الإلكترونية على أقراص الحاسوب المضغوطة والمدمجة.
استعمالات أخرى
إن القوانين التي تتحكم بالقوة الكهرومغناطيسية لها استخدامات عملية عديدة أخرى، وعلى سبيل المثال يُستخدم مبدأ تنافر الأقطاب المغناطيسية في أنظمة السكك الحديدية المتطورة.
إذ يمكن تعليق القطارات في الهواء فوق السكك الحديدة بمسافة قليلة من خلال التنافر المغناطيسي، ما يزيل الاحتكاك بين القطارات والسكك الحديدية.
كما تشتمل تطبيقات النظرية الكهرومغناطيسية على عمليتي التحليل الكهربائي والطلاء بالكهرباء، فالتحليل الكهربائي هو العملية التي تستخدم التيار الكهربائي لإحداث التفاعل الكيميائي، والتحليل الكهربائي مفيد بشكل خاص من أجل تنقية النحاس واستخراج الألمنيوم.
أما الطلاء بالكهرباء فيوفر إمكانية تغليف المعادن الرخيصة مثل الفولاذ بطبقة رقيقة من معدن ثمين بهدف تحسين المظهر أو إكساب المتانة، وعلى سبيل المثال يُطلى واقي صدمات السيارات في أغلب الأحيان بالكروم لحمايته من التآكل.
وفقاً لقوانين الكهرومغناطيسية، عندما تنتقل الجسيمات عبر مجال مغناطيسي ينحرف مسار حركتها، وتستخدم أنابيب الصورة في أجهزة التلفزيون (أنابيب الأشعة الكاثودية)، وأجهزة رسم الذبذبات هذا المبدأ لحرف حزم جسيماتها.
والأمر الأهم بالنسبة للفيزيائيين هو أن هذا المبدأ يتيح لهم التحكم بمسار الجسيم المتحرك في مسرِّع الجسيمات، وهو جهاز ضروري لدراسة الجسيمات الأساسية التي تتكوّن منها كل المادة.
ويستطيع الفيزيائي بواسطة جهاز المسرِّع حرف الجسيمات وزيادة كمية حركتها، ثم يجري تفكيك هذه الجسيمات المنتقلة بسرعات فائقة إلى مكوّناتها الأساسية.
وقد استطاع الفيزيائيون من خلال تجارب المسرِّع التي أجروها عبر السنوات الخمسين الماضية تحقيق خطوات واسعة جداً في فهم الكون، حيث تم اكتشاف قوتين أساسيتين لم يتخيلهما العلماء سابقاً من أجل التحكم بسلوك الجسيمات الأولية.
يمكن القول إن نظريات ماكسويل كانت مهمة لفهم القوة الكهرومغناطيسية بقدر أهمية نظريات نيوتن لفهم قوة الجذب، غير أن نظريات كل منهما تناقضت مع بعضها في عدة جوانب، ما ألهم ألبرت أينشتاين لحلّ هذه التناقضات من خلال تطوير نظريته للنسبية الخاصة والعامة.
ومع أن أعمال أينشتاين قلبت رأي نيوتن حول قوة الجذب رأساً على عقب إلا أنها أكدت صحة نظريات ماكسويل بصورة عامة.
وفي بداية القرن العشرين ساهم التقدم الحاصل في فيزياء الجسيمات في حلّ ما تبقى من جوانب غامضة حول القوة الكهرومغناطيسية.
فمع أن معرفة الفيزيائيين منذ زمن ماكسويل كانت واسعة حول كيفية عمل القوة الكهرومغناطيسية، إلا أن معرفتهم بأسباب تلك القوة كانت محدودة جداً حتى ظهرت الأجوبة على تساؤلاتهم من خلال دراسة الجسيمات دون الذّرية التي تتكوّن منها كل المادة.
وقد حددت النماذج الأولى للذرّة ثلاثة جسيمات أولية وهي: الإلكترون، والبروتون، والنيترون، حيث يستقر كل من البروتون والنيوترون في نواة الذرّة بينما تدور الإلكترونات حولها.
ولقد اكتشف الفيزيائيون أن الذرّات تتماسك مع بعضها بعضا بواسطة الشحنات الكهربائية لهذه الجسيمات، فالإلكترونات لها شحنة سالبة والبروتونات لها شحنة موجبة، أما النيترونات فهي متعادلة كهربائياً، أي لا شحنة لها على الإطلاق.
وتنتج الشحنات المختلفة للإلكترونات والبروتونات قوة كهرومغناطيسية تجعل هذه الجسيمات دون الذرّية متماسكة مع بعضها بعضا.
غير أن الإلكترونات التي تدور حول النواة لا تكون مرتبطة بها ارتباطاً متيناً، إذ يمكن لها أن تتحر من ذرّتها والانضمام إلى ذرّة أخرى، وتنتج شحنة كهربائية عن تبادل هذه الإلكترونات بحيث تصبح الذرّة التي يحدث فيها نقص للإلكترونات موجبة الشحنة، في حين تتحول الذرّة التي يزيد فيها عدد الإلكترونات إلى ذرّة سالبة الشحنة.
ينتج التيار الكهربائي عندما تتيح الظروف إمكانية التدفق الحرّ للإلكترونات داخل الذرّة وخارجها. وفي بعض المواد مثل النحاس والفضة تستطيع الإلكترونات التحرك بسهولة ويُطلق عليها في هذه الحالة اسم "موصلات".
أما في بعض المواد الأخرى مثل المطاط والزجاج تكون حركة الإلكترونات شبه معدومة فيطلق على هذه المواد اسم "عوازل".
يمكن فهم الظاهرة الكهرومغناطيسية أيضاً على أساس الإلكترونات، فعندما تدور الإلكترونات في مدارها حول النواة، تدور حول نفسها أيضاً بحركة لولبية سريعة وتوّلد بذلك مجالاً مغناطيسياً ضعيفاً.
وفي معظم المواد تدور نصف الإلكترونات دوراناً لولبياً (أو مغزلياً) باتجاه واحد، بينما يدور نصفها الثاني في اتجاه آخر بحيث تلغي هذه الحالة أساساً الأثر المغناطيسي.
لكن في عدد قليل من المواد، مثل الحديد والنيكل لا ينقسم دوران الإلكترونات اللولبي (أو المغزلي) في الاتجاهين بالتساوي، ما يجعلها تتمغنط بسهولة ويُطلق على هذه المواد صفة "المغناطيسية الحديدية" أو المواد المغناطيسية.
ونظراً إلى التفاوت في حجم الطاقة الكامنة وراء تلك الظواهر، تؤثر القوة الكهرومغناطيسية فينا بطرائق متعددة بحيث يمتد هذا الأثر ليشمل الطبيعة بأكملها، إذ يجعل السماء تسطع عند حدوث البرق، ويوجّه التفاعلات الكيميائية في أجسامنا، ويسمح بوجود الضوء المرئي.
ولعل أهم ما في الأمر أن القوة الكهرومغناطيسية هي المسؤولة عن تكون الذرّات التي يتكوّن منها كل ما هو موجود حولنا.
كان العلماء في بداية القرن الثامن عشر يعملون ايضاً على تطوير نظريات جديدة حول الكهرباء، وبالاعتماد على ملاحظة بعض التجارب البسيطة على الكهرباء الساكنة ظن هؤلاء العلماء أن الكهرباء تتألف من قوتين مستقلتين تقوم إحداهما بالجذب والأخرى بالدفع (أو التنافر).
ثم اكتشف ستيفن غراي، الذي كان يجري تجاربه في انجلترا، أن القوى الكهربائية تنتقل عبر بعض المواد بسهولة أكبر من انتقالها عبر مواد أخرى.
وفي الولايات المتحدة بيّنت تجربة بنجامين فرانلكين الشهيرة التي استخدم فيها طائرة ورقية أن البرق يُعدّ شكلاً طبيعياً من أشكال الكهرباء.
وشهد العام 1820 تقدماً ملموساً في فهمنا للقوة الكهربائية حين أعدّ الفيزيائي الدانمركي هانس كريستيان أورستيد بحثاً استعرض فيه اكتشافاً مثيراً للاهتمام، إذ اكتشف أنه في حال مرور تيار كهربائي عبر سلك مركون بالقرب من بوصلة فإن إبرة البوصلة تتحرك، واستنتج أن التيار الكهربائي يستطيع توليد قوة مغناطيسية.
لقد أدى اكتشاف أورستيد إلى اختراع أحد أهم الأدوات في الصناعة: المغناطيس الكهربائي، حيث يتم إنتاج هذا النوع من المغناطيسات الاصطناعية بواسطة لف ملف من الأسلاك حول قضيب حديدي، وعند تمرير تيار كهربائي عبر السلك يصبح الحديد ممغنطاً، وعند قطع التيار يفقد القضيب كل قوته المغناطيسية تقريباً.
لكن أهمية اكتشاف أورستيد تكمن في بيان الارتباط الوثيق بين الكهرباء والمغناطيسية أكثر مما ظن الناس سابقاً، وبالتالي شكل عمل أورستيد مصدر إلهام لمزيد من التجارب التي استخدمت هاتين القوتين.
قوة واحدة
بلغت هذه الدراسة نقطة التحول مع التجارب التي أجراها الفيزيائي الإنجليزي مايكل فارادي في ثلاثينيات القرن التاسع عشر.
فقد عَلِمَ فارادي من تجارب أورستيد أن الكهرباء تستطيع إنتاج أثر مغناطيسي، لكنه تساءل فيما إذا كان العكس صحيحاً، أي إذا كانت المغناطيسية قادرة على إنتاج أثر كهربائي.
فقد بيّنت تجارب فارادي أن الكهرباء والمغناطيسية تشكلان بالفعل وجهين مختلفين لقوة واحدة، وافترض أيضاً أن الكهرباء والمغناطيسية تعملان ضمن "خطوط قوة" غير مرئية مبيناً بذلك مفهوم المجال الكهرومغناطيسي، حيث يشير هذا المجال إلى المنطقة التي يتم فيها التماس الأثرين المغناطيسي والكهربائي للشحنة الكهربائية المتحركة.
وفي منتصف القرن التاسع عشر بيّنت التجارب التي أجراها كل من أورستيد وفارادي وغيرهما إلى ظهور عدة أفكار جديدة حول الكهرباء والمغناطيسية.
وفي عقدي الستينيات والسبعينيات من القرن التاسع عشر جُمعت هذه النتائج كلها ضمن نظرية موحدة وضعها الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل، الذي استنبط مجموعة من المعادلات الرياضية أكدت أن الكهرباء والمغناطيسية عبارة عن قوة واحدة موحدة.
كما افترض ماكسويل أن المجال المغناطيسي الناتج عن شحنة كهربائية متذبذبة يمتد باتجاه الخارج بسرعة ثابتة، حيث قام بحساب هذه السرعة ووجد أنها تبلغ حوالي 300,000 كيلومتر في الثانية الواحدة، وهي سرعة قريبة من سرعة الضوء.
وبناءً على ذلك افترض ماكسويل أن الضوء هو عبارة عن شكل من أشكال الأشعة الكهرومغناطيسية التي تنتقل على شكل موجات.
كما أشارت نظريته إلى وجود أشكال أخرى من الطاقة الكهرومغناطيسية غير المرئية بالنسبة للعين البشرية، وتنبأ بذلك بوجود الموجات الراديوية والأشعة السينية (أشعة إكس).
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)