اندازه گیری جرم اتم‌ها، گشتاور، دیوار صوتی، آهن‌رباهای بزرگ

اندازه گیری جرم اتم‌ها

     جرم اتم‌ها آن‌قدر کم است که با هیچ ترازویی امکان ندارد که جرم آن‌ها را اندازه‌گیری کرد.دانشمندان برای تعیین جرم اتم‌ها از دستگاهی به نام طیف‌نگار جرم استفاده می‌کنند. در این دستگاه به اتم‌ها بار الکتریکی داده می‌شود تا به صورت یون (ذرات باردار) در بیایند و بعد این یون‌ها به یک شکاف تابانده می‌شوند. یون‌هایی که از شکاف عبور می‌کنند تشکیل باریکه‌ای از نور نامرئی، را می‌دهند که از میان دو صفحه باردار و دو قطب یک آهن‌ربا می‌گذرد. باریکه نور، بر اثر عبور از این ناحیه خم می‌شود و یون‌های آن به یک آشکارساز مثلا" یک فیلم حساس عکاسی، برخورد می‌کنند. هر چه یونی سبک‌تر باشد خمیدگی مسیر آن بیشتر است و در نتیجه باریکه نور گسترده میشود و به صورت نوارهایی که مربوط به اتم‌هایی با جرم‌های مختلف هستند روی صفحه‌ی حساس اثر می‌گذارد. دانشمندان با توجه به مکان هر نوار می‌توانند جرم اتم‌های مربوط به آن را اندازه‌گیریکنند. با طیف‌نگار جرم می‌شود تعداد اتم‌های مربوط به هر نوار را هم محاسبه کرد.

     چون الکترون‌های یک اتم از هسته‌ی آن خیلی سبک‌تر هستند، طیف‌نگار جرم در واقع جرم هسته را اندازه می‌گیرد.با دانستن جرم هسته می‌توانیم تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های موجود در آن را پیدا کنیم.

     به وسیله‌ی طیف‌نگار جرم می‌شود نوع اتم‌های یک ماده را هم مشخص کرد. سفینه‌ای که اخیرا" به طرف ماه‌های مریخ پرتاب شده حاوی یکی از این طیف‌نگارها است تا معلوم کند که در سطح این ماه‌ها چه عناصری یافت می‌شوند؟

     گشتاور عبارت است از حاصل‌ضرب جرم جسم در سرعت آن. که به صورت رابطه زیر مشخص می‌شود:

جرم × سرعت = گشتاور

     برای متوقف کردن هر جسم متحرک، مثلا" اتومبیل، نیرویی لازم است؛ چون اتومبیل گشتاور دارد. گشتاور به سرعت و جرم جسم بستگی دارد. اگر اتومبیلی با سرعت زیاد حرکت کند، مقدار گشتاور آن بیشتر از زمانی است که آهسته حرکت می‌کند. به همین دلیل نیروی بیشتری لازم است تا اتومبیل را در سرعت زیاد متوقف کند. هم‌چنین نیرویی که برای متوقف ساختن یک کامیون بزرگ لازم است به مراتب بیشتر از مقدار نیرویی است که باید برای متوقف کردن یک اتومبیل کوچک به کار گرفته شود، کامیون گشتاور بیشتری دارد، چون جرم بیشتری دارد.

     هنگامی که اجسام به یکدیگر اصابت می‌کنند، مجموع گشتاور آن‌ها تغییر نمی‌کند. مثلا" وقتی یک گوی متحرک به گوی ثابتی اصابت می‌کند، گوی متحرک از حرکت باز می‌ایستد و گوی ثابت با همان سرعتی که گوی متحرک داشته به حرکت در می‌آید. گشتاور گوی اول به گوی دوم منتقل شده است.   

     هواپیماهای مافوق صوت، مانند کنکورد، (به دلیل ایرادهای فنی کنکورد از رده خارج شد.)قادر هستند سریع‌تر از صوت حرکت کنند. وقتی که هواپیمایی سریع‌تر از صوت حرکت کند دیوار صوتی شکسته می‌شود. زمانی که هواپیما آهسته‌تر از سرعت صوت حرکت می‌کند، امواج صدای ناشی از حرکت هواپیما زمان کافی برای دور شدن از اطراف هواپیما دارند.هنگامی که سرعت هواپیما به سرعت صوت می‌رسد امواج صدا آن را احاطه می‌کنند. اما با گذشتن از سرعت صوت، هواپیما از صدایی که ایجاد می‌کند پیش می افتد و امواج صدا روی هم انباشته می‌شوند و صدای مهیبی ایجاد می‌کنند. این صدای مهیب را غرش صوتی می‌نامند (اصطلاحا"می‌گویند هواپیما دیوار صوتی را شکست.) که از زمین شنیده می‌شود. امواج ضربه‌ای غرش صوتی چنان است که می‌تواند شیشه‌ی خانه‌ها را بشکند. 

     بزرگ‌ترین و قوی‌ترین آهن‌رباهای جهان آهن‌رباهای فوق هادی هستند. آهنرباهای فوق هادی نوعی آهن‌رباهای الکتریکی هستند که تا حدود  270 - درجه سانتی‌گراد سرد شده‌اند. در این درجه حرارت سیم سیم‌پیچ آهن‌ربا مقاومت خود را در برابر جریان الکتریکی از دست می‌دهد و به یک فوق هادی تبدیل می‌شود. در نتیجه امکان عبور دادن جریان الکتریکی بسیار زیادی از سیم‌پیچ فوق هادی به منظور ایجاد آهن‌ربای بسیار پرقدرتی وجود دارد.

     از آهن‌رباهای فوق هادی به منظور کنترل اشعه‌ی ذرات در ماشین‌های اتم‌شکن که شتاب دهنده‌های ذره‌ای نام دارند استفاده می‌شود.در شتاب‌دهنده نیروی پرقدرت آهن‌ربایی پروتون‌ها، الکترون‌ها یا ذرات باردار دیگر را هم‌زمان با شتاب گرفتن جهت می‌دهد و در نهایت به اتم‌های هدف می‌کوبد و آن‌ها را متلاشی می‌کند.