تبلیغات
فیزیک سال اول دبیرستان


بازدید : مرتبه
تاریخ : چهارشنبه 6 بهمن 1389

آب، فراوان‌ترین مایع و به‌جرات مهم‌ترین مایعی است که روی زمین وجود دارد؛ اما اهمیت آن به پدیده‌های زیستی منحصر نمی‌شود. ویژگی‌های فیزیکی آب در مقایسه با دیگر مواد روی زمین، بی‌نظیر است.


محمود حاج‌زمان: ما با معما‌های زیادی مواجه هستیم، از طبیعت ماده تاریك و سر منشاء جهان گرفته، تا تحقیق برای نظریه همه‌چیز. اینها همه معماهایی در مقیاس بزرگ هستند، اما شما می‌توانید معمای دیگری را از جهان فیزیكی مشاهده كنید كه از آشپزخانه شما می‌آید (و اگر همان‌قدر بزرگ نباشد، به همان اندازه گیج‌كننده باشد). فقط یك لیوان را از آب سرد پر كنید، یك قالب یخ در آن بیاندازید و صبر كنید تا آب از تلاطم بیفتد.

این واقعیت كه یخ شناور می‌شود، اولین مورد عجیب این ماده است. زمانی معما عمیق‌تر می‌شود كه با استفاده از یك دماسنج دمای آب را در اعماق مختلف اندازه بگیرید. در بالا و در نزدیك قالب یخ، می‌بینید كه دمای آب نزدیك به صفر درجه است، اما در انتهای لیوان دما به 4 درجه می‌رسد. دلیل آن این است كه چگالی آب در دمای 4 درجه سلسیوس، از هر دمای دیگری بیشتر است (یك ویژگی عجیب دیگر كه آن را از هر مایع دیگری متمایز می‌سازد).

به گزارش نیوساینتیست، خواص عجیب آب همچنان ادامه دارد و برخی از آنها برای زندگی حیاتی هستند. به دلیل اینكه چگالی یخ از آب كمتر است و چگالی آب در نقطه انجماد كمتر از زمانی است كه آب تا چهار درجه گرم‌تر باشد، آب نسبت به ته لیوان، از بالا به پایین منجمد می‌شود. بنابراین حتی در طول عصر یخ بندان، زندگی در اعماق دریاها و اقیانوس‌ها همچنان ادامه داشت. آب ظرفیت خارق‌العاده‌ای برای گرفتن گرما دارد و این به ملایم‌تر كردن تغییرات آب‌و هوایی كمك می‌كند، كه در غیر این صورت می‌تواند اكوسیستم‌ها را نابود كند.

با این حال، به رغم اهمیت بسیار زیاد آب برای حیات، هیچ نظریه واحدی دست كم تا كنون نتوانسته یك توضیح قابل قبول برای خصوصیات اسرارآمیز آن ارائه كند. اگر ما بتوانیم نظریات اندرس نیلسون از فیزیكدانان دانشگاه استنفورد كالیفرنیا، و لارس پترسون از دانشگاه استكهلم سوئد، و همكاران این دو را بپذیریم؛ بالاخره توانسته‌ایم به دلیل واقعی خیلی از این خصوصیات غیر عادی پی ببریم.

نظریات جنجالی این دو، بسط دهنده نظریه‌ای است كه بیش از یك قرن پیش از این توسط ویلهلم رونتگن، كاشف اشعه ایكس، ارائه شده است. او ادعا كرده بود كه مولكول‌ها در آب مایع آن گونه كه در كتاب‌های امروزی می‌بینیم، تنها از یك طریق به هم نپیوسته‌اند، بلكه این اتصال از دو مسیر كاملا متفاوت انجام می‌شود.

ساختار اسرارآمیز آب
كلید فهم اسرار آب، نحوه تعامل مولكول‌های آن با همدیگر است، مولكول‌هایی كه از یك اتم اكسیژن و دو اتم هیدروژن تشكیل شده‌اند. اتم اكسیژن بار منفی ناچیزی دارد و اتم‌های هیدروژن، در مجموع بار مثبتی معادل آن دارند. به همین ترتیب، اتم‌های هیدروژن و اكسیژن مولكول‌های همسایه، از طریق تشكیل پیوندی به نام پیوند هیدروژنی به همدیگر جذب می‌شوند.

پیوندهای هیدروژنی، خیلی ضعیف‌تر از پیوندهایی هستند كه اتم‌ها را در مولكول‌ها در كنار هم قرار می‌دهند، و به همین دلیل همواره در حال گسیختن و بازپیوستن هستند. این پیوندها هنگامی به حداكثر قدرت خود می‌رسند كه مولكول‌ها به نحوی كنار هم قرار گرفته باشند كه هر پیوند هیدوژنی در امتداد یك پویند مولكولی قرار بگیرد. شكل یك مولكول آب به نحوی است كه هر مولكول H2O در میان چهار مولكول همسایه قرار می‌گیرد و یك هرم با قاعده مثلثی را تشكیل می‌دهد، كه معمولا به نام تتراهدرون یا چهارسطحی شناخته می‌شود.

دست كم، این راهی است كه مولكول‌ها در یخ در كنار هم قرار می‌گیرند. از یك دیدگاه متعارف سنتی، آب مایع یك ساختار مشابه ولی كمتر صلب دارد، كه در آن مولكول‌های بیشتری می‌توانند در برخی از فضاهای خالی در یك آرایش چهار سطحی قرار بگیرند. این امر توضیح می‌دهد كه چرا آب مایع از یخ چگال‌تر است، و به نظر می‌رسد كه با نتایج آزمایش‌های گوناگون كه در آنها پرتوهای ایكس، فرو سرخ و نوترون‌ها، از نمونه‌های آب منعكس می‌شوند همخوانی داشته باشد.

برخی از فیزیكدان‌ها ادعا كرده‌اند كه آبی كه تحت شرایط به خصوصی قرار گرفته باشد، به دو ساختار كاملا متفاوت تجزیه می‌شود. ولی اكثر آنها چنین فرض می‌كنند كه در شرایط عادی، تنها یك ساختار وجود دارد.

اما ده سال قبل، یك كشف اتفاقی توسط پترسون و نیلسون، این تصویر را به چالش كشید. آنها در حال استفاده از طیف‌سنجی جذبی اشعه ایكس برای تحقیق در مورد آمینو اسید گلیسین بودند. نقاط پیك در طیف جذبی اشعه ایكس می‌تواند ماهیت دقیق اتصالات شیمیایی ماده هدف را مشخص كنند، و همچنین به تعیین ساختار آن كمك كنند. نكته مهم این بود كه آن دو از یك منبع جدید قدرت‌مند اشعه ایكس استفاده می‌كردند كه می‌توانستند با استفاده از آن، اندازه‌گیری‌های حساس‌تر و دقیق‌تری را نسبت به آن چه تا پیش از این ممكن بود انجام دهند. آنها به زودی دریافتند كه آبی كه حاوی نمونه گلیسین بود، طیف خیلی جالب‌تری به نسبت خود آمینو اسید تولید می‌كرد. نیلسون می‌گوید: «آن‌چه ما دیدیم بسیار شورانگیز بود، بنابراین ما احساس كردیم كه باید به كنه آن پی ببریم».

مفاهیم مهیج
ویژگی كه توجه آنها را جلب كرد یك نقطه پیك در طیف جذبی بود كه توسط مدل‌های سنتی آب مایع پیش‌بینی نشده بود. در حقیقت، در مقاله‌ای كه آنها در سال 2004 منتشر كردند چنین نتیجه گرفتند كه در هر لحظه، 85 درصد از پیوندهای هیدروژنی در آب، باید تضعیف و یا شكسته شده باشند. این مقدار خیلی بیشتر از 10 درصدی است كه توسط مدل‌های كتب درسی پیش‌بینی شده است.

مفاهیم این یافته بسیار جالب توجه هستند: این به معنی آن است كه یك بازنگری كامل در ساختار آب مورد نیاز است. در نتیجه نیلسون و پترسون شروع به انجام آزمایش‌های دیگری با پرتو ایكس برای اثبات ادعای خود كردند. اولین حركت آنها استقبال از كمك شیك شین از دانشگاه توكیو در ژاپن بود. وی متخصص تكنیكی است كه «طیف‌سنجی نشری اشعه ایكس» نام دارد. نكته كلیدی در مورد این طیف‌سنجی این است كه در طیف نشری یك ماده، هر چه طول‌موج اشعه ایكس كوتاه‌تر باشد، پیوند هیدروژنی باید ضعیف‌تر باشد.

نتیجه عالی بود: طیف اشعه ایكس نشری، شامل دو نقطه پیك بود كه ممكن بود ناشی از دو ساختار جداگانه باشند. اعضای گروه چنین استدلال كردند كه پیك مربوط به اشعه‌های ایكس با طول‌موج بلندتر، نشان دهنده سهم مولكول‌هایی است كه به صورت چهار سطحی آرایش یافته‌اند، در حالی كه پیك طول‌موج كوتاه‌تر، بازتاب دهنده سهم مولكول‌هایی است كه ساختار متفاوتی دارند.

جالب اینجا بود كه پیك طول‌موج كوتاه‌تر در نشر اشعه ایكس شدیدتر از دیگری بود. این بدان معنی است كه مولكول‌های با پیوند ضعیف‌تر در آن نمونه، شایع‌تر بودند؛ و این خود تاییدی بر ادعای پیشین اعضای گروه بود. علاوه بر آن، آنها همچنین دریافتند كه هر چه آب گرم‌تر باشد، این پیك به طول‌موجهای كوتاه‌تری منتقل می‌شود؛ در حالی كه پیك دیگر، كمابیش ثابت باقی می‌ماند.

این بدان معنی است كه پیوند‌های هیدروژنی اتصال دهنده مولكول‌های موجود در این ساختار متفاوت، در اثر گرما بیشتر تضعیف می‌شوند؛ كه باز هم با پیشبینیهای گروه مطابقت داشت. آنها سپس داده‌های تجربی قدیمی‌تر را، كه به نظر می‌رسید كه با شكل سنتی آب مطابقت دارد، دوباره بررسی كردند و اكنون ادعا می‌كنند كه این نتایج نیز با مدل جدید مطابقت دارد.

اگر آنها درست بگویند سوال دیگری مطرح می‌شود: تفاوت‌ها در ساختارهای مختلف در مایع تا چه اندازه است؟ برای یافتن پاسخ، آنها از یك اشعه ایكس پرتوان استفاده كردند كه در منبع نور تابشی سینكرترون دانشگاه استنفورد در كالیفرنیا تولید شده بود. این بار، چگونگی پراكندن پرتوهای ورودی از زاویه‌های مختلف به سطح آب، مورد ارزیابی واقع شدند. به گفته آنها، نتایج آشكار می‌كند كه آب پوشیده از نواحی كوچكی از مولكول‌هایی است كه به صورت چهار سطحی آرایش یافته‌اند، و هر طول هر ناحیه نیز بین 1 تا 2 نانومتر است..

با تركیب ای یافته‌ها با اندازه‌گیری‌های دیگری كه توسط اووه برگمن در دانشگاه استانفورد انجام شده‌بود، آنها نتیجه گرفتند كه ساختارهای منظم، كه هر یك به طور متوسط شامل50 تا 100 مولكول هستند، توسط دریایی از پیوند‌های مولكولی ضعیف احاطه شده‌اند. ولی این نواحی ثابت نیستند. در كمتر از یك تریلیونیوم ثانیه، مولكول‌های آب بین دو حالت گسست و باز تولید پیوندهای هیدروژنی نوسان می‌كنند.

توضیح غیر قابل توضیح!
توازن متغیر بین دو نوع آب كه توسط نیلسون و پترسون مطرح شده بود، می‌تواند توضیحی باشد بر اینكه چرا آب در دمای 4 درجه به بیشترین چگالی خود می‌رسد. در نواحی آشفته مولكول‌های آب به هم نزدیك‌‌تر هستند كه این خود باعث چگال‌تر شدن آب نسبت به نواحی می‌شود كه مولكول‌های آب در ساختار چهار سطحی منظم آرایش داده شده‌اند. در دمای صفر درجه نواحی آشفته نسبتا كمیاب هستند اما زمانی كه آب گرم‌تر می‌شود، انرژی گرمایی اضافی تمایل بیشتری به لرزاندن و جدا كردن ساختارهای منظم‌تر می‌یابد. بنابراین مولكول‌ها زمان كمتری را در ساختارهای منظم چهار سطحی و مدت زمان بیشتری را در نواحی آشفته سپری می‌كنند، امری كه در مجموع باعث بیشتر شدن چگالی می‌شود.

از سوی دیگر، زمانی‌كه دما افزایش می‌یابد، حركت مولكول‌های با پیوند ضعیف‌تر بیشتر خواهد شد و همین مسئله به‌تدریج آنها را وا می‌دارد كه از هم دورتر شوند. این بسط كه یك بار به توضیح دلیل چگالی بیشینه آب در دمای چهار درجه سلسیوس بالای صفر كمك كرده بود، این بار نیز به توضیح دلیل كاهش چگالی و افزایش حجم آب با افزایش بیشتر دمای آن كمك می‌كند.

به عقیده پترسون، این نظریه توضیحات كاملی را برای بسیاری از خواص غیرطبیعی غیر قابل توجیه دیگر آب ارائه می‌كند. مواردی كه به ادعای آن دو، دیگر نظریه‌ها هنوز نتوانسته‌اند به آن دست یابند. مارتین چاپلین، كه یك شیمی‌دان در دانشگاه ساوث بنك لندن است، با این نظریه موافق است. توضیحاتی كه بر مبنای سیستم تك مولفه‌ای متعارف بودند، مجبور بودند زمانی كه دمای آب تغییر می‌كند تلاش زیادی بكنند تا بتوانند ویژگی‌های متعدد آب از قبیل كمینه و بیشینه را با نظریه خود سازگار كنند. چاپلین می‌گوید: «ساختار دوگانه كاملا با آزمایش‌ها همخوانی دارد و می‌تواند خصوصیات غیر عادی آب را خیلی ساده‌تر از مدل‌های سنتی توضیح دهد».

به مقاله سال 2004 نیلسون و پترسون در مجله ساینس تا كنون بیش از 350 بار و توسط محققین دیگر، ارجاع شده است. با این حال، هنوز خیلی‌ها بدبین هستند. یك بدبینی این است كه توضیح گروه در مورد نتایج طیف‌سنجی اشعه ایكس، بر مبنای شبیه سازی دست كم 50 مولكول آب در حال تعامل با هم است. یك مدل بینهایت پیچیده كه تنها می‌تواند به طور تقریبی حل شود. ریچارد سایكالی از دانشگاه بركلی كالیفرنیا می‌گوید: «ما نیاز به یك نظریه خیلی دقیق‌تر داریم تا بتوانیم چنین ادعای بزرگی را بپذیریم». او ادعا میكند كه تنظیمات كوچك برای آرایش پیوندهای هیدروژنی در ساختارهای متعارف، برای توضیح نتایج اشعه ایكس پترسون و نیلسون كفایت می‌كنند. حتی یكی از اعضای گروه آنها، مایكل اوبلیوس از دانشگاه استكهلم، همكاری خود را با آنها قطع كرد چرا كه با تفسیر آنها از داده‌های نشر اشعه ایكس موافق نبود.

یك نكته جزئی كه خیلی از افراد را به این نظریه بدبین كرده بود، یك ادعا در مقاله سال 2004 بود كه مولكول‌هایی كه پیوند ضعیف‌تری دارند، تشكیل حلقه و زنجیره می‌دهند؛ و در واقع نیلسون و همكارانش نیز اكنون كمتر در مورد جزئیات ساختار مولكولی نامنظم اظهار نظر می‌كنند. ولی یوجین استنلی ازدانشگاه بوستون، باور ندارد كه این امر كاملا نظریه آنها را زیر سوال می‌برد: وی می‌گوید: «من فكر نمی‌كنم كه آنها باید تا ابد محكوم شوند». به رغم این كه نظریه آنها هنوز جای كار دارد، ولی به گفته او، نتایج پراكنش اشعه ایكس شواهدی بر تایید نظریه آنها ارائه می‌كند.

هیچ شكی نیست كه هنوز نیلسون و پترسون با مخالفت‌های شدیدی مواجه خواهند بود، ولی پاداش‌‌های یك درك فراگیر از ساختار آب مایع می‌تواند شایان توجه باشد. این درك می‌تواند منجر به درك بهتر از مواردی مانند چگونگی برهم‌كنش پروتئین‌ها و داروها با مولكول‌های آب در بدن، و در نتیجه تولید داروهای موثرتری گردد. با دادن یك ایده بهتر از چگونگی رفتار مولكول‌های آب در اطراف منافذ ریز ما، می‌تواند به تلاش‌ها برای نمك زدایی و تصفیه آب كمك كند و سطح دسترسی به آب تمیز را بیشتر كند.

پترسون می‌گوید: «درك ما از آب یك تصویر در حال تكامل است. پیش از تكمیل این تصویر، ‌تحقیقات بیشتری باید توسط گروه‌های مختلف انجام شود». چه كسی می‌تواند با این حرف مخالفت كند؟




 


طبقه بندی: مطالب فیزیک،  مطالب درسی، 
برچسب ها: آب، مهم ترین مایع، دز فیزیک، dez physic، دزفول،
ارسال توسط کامی
آرشیو مطالب
پیوند های روزانه
امکانات جانبی