سال ها و شاید قرن ها قبل از آن که قوانین حاکم بر آکوستیک موسیقی کشف شود، بشر از شنیدن اصوات موسیقایی لذت میبرده است و همواره برای خلق آثار ماندگار موسیقایی و هنری در تلاش بوده است. نخستین گام را شاید، فیثاغورث در عهد یونان باستان برداشته، او با مقایسه ارتفاع صدا های موسیقی با طول های مولد آن ها در تار مرتعش، نخستین بار ارقام را در فیزیک وارد ساخته است، فارابی و ابن سینا ایجاد و خواص ارتعاشات صوتی را کامل تر از پیشینیان خود تشریح کرده اند. از سوی دیگر، آکوستیک ساختمانی از قرن ها پیش از میلاد عملاً مورد توجه بوده است.

در قرن هفدهم، مرسن با اندازه گیری ارتفاع صداهای موسیقی (گام)، بین آکوستیک و موسیقی پلی برقرار می سازد. بعد از آن اثبات شد که صوت در خلاء منتشر نمی شود و در اواخر همان قرن سوم، وجود گره و شکم را در موج های صوتی کشف کرد. و در همان سال ها نیوتن معادلات حاکم بر آن ها را نوشت و تشریح نمود.

از آن زمان تاکنون دانشمندان زیادی همچون دالامبر، برنولی، ورتایم و... بر روی ارتعاش تار، اندازه گیری سرعت صوت انجام داده اند و کشف این قوانین راه را برای مطالعات بعدی هموار ساخت، بیان نظریه هویگنس نتیجه این بررسی ها و محاسبه فرکانس و طول موج اصوات بوده است.

هنگامی که ماکسول نظریه های الکترومغناطیسی نور را به میان آورد، انقلابی در نحوة تفکر و پیدایش نظریه ها به وجود آمد بعداز اختراع ضبط صوت به وسیله ادیسون و وسایل انتقال الکتریکی به وسیله گراهام بلا استفاده از این نظریات در صنعت فزونی یافت و پیشرفت روز افزون آن که تا به امروز ادامه دارد را موجب شده است.

گستره شنوایی گوش انسان از 20 تا 20000 هرتز (ارتعاش در ثانیه) می باشد. ما امروزه در همین گستره که اصوات موسیقایی جزئی از آن است به دنبال صداهای نو باکیفیت بهتری می باشیم .

صوت موسیقی یا نت، صوتی است که از ارتفاع های منظم تشکیل شده است و اثر خوشایندی بر گوش انسان دارد.

صوتی را که می‌شنویم به خصوصیت های گوش و ساز و کار شنوایی و نیز ویژگی‌های فیزیکی صوت بستگی داد. صوتی را که انسان با دستگاه شنوایی خود درک می‌کند، بر حسب سه مشخصه بلندی، ارتفاع و طنین بیان می‌کنند.

تار مرتعش

هنگامی که یک تار را مرتعش می‌کنیم، تنها هماهنگ اول آن ایجاد نمی‌شود. بلکه هماهنگ های دیگر آن نیز به وجود می‌آیند. از برهمنهش این هماهنگ ها یک موج مرکب ایجاد می‌شود. آنچه ما پس از مرتعش کردن یک تار می‌شنویم، از این موج مرکب ایجاد می‌شود. اگر موج صوتی حاصل از پیانو و ویولون را با هم مقایسه کنیم و در هر دو مورد فرکانس صوت اصلی 440 باشد، تعداد و دامنه هماهنگ هایی که در ساختن این موج مرکب سهیم هستند، متفاوت خواهد بود. در نتیجه اگر شکل موج مرکب حاصل را رسم کنیم باهم فرق خواهند داشت.

مشخصه‌های صوت

طنین

طنین صوت به شکل موج مرکب بستگی دارد. یعنی طنین به نوع، تعداد و دامنه‌های هماهنگ هایی که ایجاد شده‌اند، وابسته است.

ارتفاع

ارتفاع صوت با فرکانس موج اصلی که موج مرکب از آن ساخته می‌شود، تعیین می‌شود.

بلندی

بلندی صوت به شدت صوت و خصوصیت های شنونده بستگی داد.

توصیف صوت موسیقی

فاصله موسیقی

نسبت فرکانس دو نت را فاصله موسیقی می‌نامند. تجربه نشان داده است که هر فاصله‌ای برای انسان خوشایند نیست. به همین خاطر صوت موسیقی از سایر اصوات متمایز می‌گردد. لازم به ذکر است که این احساس خوشایند نسبت به صوت موسیقی فقط مختص انسان نیست، بلکه سایر موجودات زنده نیز نسبت به آن حساسیت نشان می‌دهند. بگونه‌ای که اثرات صوت موسیقی بر اعمال موجودات زنده در بسیاری از مسائل تجربی مشاهده شده است.

گام موسیقی

گام موسیقی مجموعه‌ای از چند نت است که فاصله آن ها برای گوش خوشایند است. گام های متفاوتی در موسیقی وجود دارد.

گام طبیعی :

گام طبیعی از هشت نت do1 ,re , mi , fa , sol , la , si ,do2 تشکیل شده است که فاصله آن ها از یک نت مبنا (do1) که کم ترین فرکانس را دارد به صورت زیر است.

(Si) نسبت به (do1) مثل 15 به 18 است.

(la) نسبت به (do1) مثل 5 به 3 است.

نوکلئیدهایی که عدد جرمی (تعداد کل نوترون و پروتون) یکسانی دارند، اما اعداد اتمی آن ها متفاوت است، ایزوبار نامیده می شوند. همان گونه که در شکل زیر نشان داده شده است، I-131 و Xe-131 ایزوبار های یکدیگرند. یک جفت ایزوبار نمی تواند به عنصر شیمیایی یکسانی تعلق داشته باشد. رابطه ی بین چند ایزوبار در نمودار نوکلئیدی زیر نشان دهنده ی آلومینیوم- 29 ، سیلیکون- 29، فسفر- 29 و گوگرد- 29 است.

رابطه ی بین چند ایزوبار در نمودار نوکلئیدی

 

ایزومرها

هسته ها می توانند ترکیب پروتون - نوترون مشابهی داشته باشند اما کاملاً یکسان نباشند؛ به عنوان مثال، یک هسته می تواند انرژی بیش تری نسبت به هسته ی دیگر داشته باشد.

دو هسته ای که می توانند ترکیب یکسانی داشته باشند اما انرژی آن ها  در حال تغییر است، ایزومر هم نامیده می شوند. یک مثال برای جفت ایزومری در شکل 6 نشان داده شده است؛ تکنسیم- 99 می تواند در دو حالت انرژی وجود داشته باشد: انرژی بالاتر برای این عنصر، یک حالت موقتی است و به حالت نیمه پایدار اشاره دارد .

نشانه ی یک نوکلئید در حالت نیمه پایدار، اضافه کردن حرف m به عدد جرمی است (Tc-99m) . هسته ها در حالت نیمه پایدار، انرژی و بار اضافی خود را در نهایت به دیگر ایزومرهای خود می دهند. چنین تبدیلات ایزومری در پزشکی هسته ای نقش مهمی دارند و در ادامه ی بحث با جزئیات بیش تری مورد بحث قرار خواهند گرفت.

ایزوتون ها

نوکلئیدهایی که تعداد نوترون مشابهی دارند، ایزوتون نامیده می شوند. به دلیل این که با این مطلب معمولاً در پزشکی هسته ای مواجه نمی شویم، این بحث را به اتمام می رسانیم.

مقدمه

آزمایش های آنتوان لاوازیه، شروع یک انقلاب در علم شیمی است. این آزمایش ها را می توان سرآغاز علم شیمی جدید دانست. او با توجه به نتایج آزمایش های کمی به توضیح پدیده های شیمیایی دست یافت و نظریه فلوژیستون را در توجیه فرایندهای شیمیایی برانداخت.

قانون بقای جرم

قانون بقای جرم می گوید که در جریان یک واکنش شیمیایی تغییری در جرم ، که قابل تشخیص باشد روی نمی دهد.

تا قبل از قرن هجدهم میلادی اصل بقای جرم و اصل بقای انرژی، دو اصل کلی و مستقل بودند که پایه های دانش را تشکیل می دادند.

در نیمه دوم قرن هجدهم میلادی لاوازیه دانشمند فرانسوی پس از یک سلسله تجربیات دریافت که مقدار جرم ماده که در فعل و انفعالات شیمیایی دخالت دارند همواره ثابت می ماند و این مشخصه مواد رادر قانون زیر به نام قانون بقای جرم خلاصه نمود.

در محدوده فیزیک کلاسیک؛  در دستگاه های منزویهیچ جرمی از بین نمی رود و هیچ جرمی نیز به خودی خود و بدون جرم دیگر به وجود نمی آید و یا به عبارت دیگر مقدار جرم مادی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است. اصل بقای انرژی می گوید انرژی هر دستگاه معین مقدار ثابتی دارد. نه می توان انرژی را خلق کرد و نه آن را از بین برد فقط انرژی از شکلی به شکل دیگر تغییر می کند . 

 با وجود تغییراتی که ممکن است در دیگر کمیت های دستگاه (مثل انرژی ،حجم ودما ) رخ دهد، جرم کل دستگاه به شرط منزوی بودن ثابت خواهد بود. یعنی این که جرم نمی تواند آفریده شود و یا از بین برود، یا تولید و یا نابود شود. به عبارت دیگر می توان گفت که جرم خاصیت زوال ناپذیر ماده است که در تغییرات شیمیایی ماده همواره ثابت می ماند. تنها از ماده ای به ماده دیگر منتقل می شود به طور کلی در هیچ تغییری جرم ماده از بین نمی رود و یا به وجود نمی آید. به طوری که جرم کل جهان همواره ثابت می ماند.

البته سیستم هایی وجود دارند که جرم آن ها درطول زمان تغییر می کند. به عنوان مثال اگر حرکت موشک را در نظر بگیریم. موشک قبل از پرتاب دارای یک مقدار جرم کل خواهد بود . اما بعد از پرتاب سوخت موشک مصرف می شود بنابراین جرم سیستم موشک در این لحظه با جرم آن قبل از پرتاب متفاوت خواهد بود. پس سیستم بقا نخواهد داشت. با این حال اگر موشک و گازهای خارج شده از آن را کلا به صورت یک سیستم فرض کنیم در این صورت نیروهایی که گازها ی خارج شده و موشک به یکدیگر وارد می کنند، در حکم نیروهای داخلی بوده و شرط منزوی بودن سیستم برقرار می شود و باز جرم بقا خواهد داشت.

 درحالتی که سرعت جسم نزدیک به سرعت نورباشد، دراین صورت دیگر در قلمرو فیزیک کلاسیک نخواهیم بود و لذا قانون بقای جرم نقض می شود .

 قانون بقای جرم - انرژی: گفتیم که اگر سرعت جسمی بتواند نزدیک به سرعت نور برسد، در این صورت از محدوده فیزیک کلاسیک خارج خواهیم شد. در این حالت قوانین بقای جرم وانرژی نقض می شود، ودر عوض یک قانون واحد به نام قانون بقای جرم- انرژی بیان می شود. براین اساس هرگاه تغییری در مقدار جرم صورت گیرد، این تغییر به وسیله تغییر انرژی جبران می شود.

 به عنوان مثال اگر جرم کاهش یابد، در این صورت به اندازه تغییر جرم انرژی تولید می شود و برعکس، اگرجرم افزایش یابد، مقداری انرژی به جرم تبدیل شده است. هم ارزی بین جرم و انرژی اولین بار توسط اینشتن در نظریه نسبیت بیان شد. در مورد تبدیلات هسته ای نیز هم ارزی بین جرم وانرژی حاکم است.

لاوازیه اعلام کرد که تغییرات انرژی در واکنش های شیمیایی معمولی ممکن است در نتیجه تغییر جرم باشد ولی این گونه تغییرات جرمی بسیار کمتر از آن است که از طریق آزمایش قابل تشخیص باشد ازاین رو قانون بقای جرم همان طوری که بیان شد ، برای تمام واکنش ها معتبر است  به استثناء واکنش هایی که با تغییرات هسته ای همراه باشند

باور غلط : گرانش در فضا صفر است.

همه مردم بر این باورند که گرانش در فضا صفر است، ولی باید با قاطعیت بگویم که این موضوع صحت ندارد و در بعضی مواقع می تواند نسبتاً زیاد هم باشد. فرض کنید که بالای نردبانی با ارتفاع 500 کیلومتر قرار دارید، در این صورت شما در فضای خلاء قرار گرفته اید، ولی در این حالت نیز شما دارای وزن هستید و وزن شما صفر نشده است و تنها وزنتان در این ارتفاع چیزی حدود 15 درصد کمتر از وزن شما روی سطح کره زمین است.

یعنی در این حالت کسی که روی زمین وزنی برابر 100 کیلوگرم داشته است، در ارتفاع 500 کیلومتری 85 کیلوگرم وزن خواهد داشت. ولی در این ارتفاع یک فضاپیما را می توانید مشاهده کنید که بدون هیچ وزنی به دور مداری، گرد زمین در حال حرکت است و فضانوردانی که در درون این فضاپیما قرار دارند نیز احساس بی وزنی می کنند. چه طور ممکن است که شما در ارتفاع 500 کیلومتری باز هم برای خود وزنی احساس می کنید ولی فضانوردان داخل فضاپیما در این ارتفاع احساس بی وزنی می کنند؟

دلیل اینکه فضانوردان داخل شاتل احساس بی وزنی می کنند این است که آن ها داخل یک فضاپیمایی هستند که در حال سقوط است، حال اگر فرض کنید که شاتل بدون هیچ حرکتی بر بالای نردبان 500 کیلومتری شما قرار بگیرد، فضانوردان داخل آن نیز برای خود احساس وزن می کنند.

حال حتماً برای شما این سوال پیش آمده باشد که اگر شاتل و فضاپیماهایی که در مدار زمین قرار دارند، در حال سقوط هستند، چرا واقعاً به روی زمین سقوط نمی کنند؟ دلیل سقوط نکردن آن ها این است که فضاپیماها با سرعت بسیار زیاد در حرکت به دور زمین در یک مسیر خمیده هستند.

در این حالت زمین با جرم عظیمی که دارد فضاپیما و فضانوردان درون آن را به سمت خود می کشد، ولی در اثر حرکت دایره ای که فضاپیما دارد، نیروی دیگری به آن وارد می شود که اندازه آن برابر نیروی گرانش وارده از زمین است ولی جهت آن بر عکس نیروی گرانش است که به آن نیروی گریز از مرکز گفته می شود و در این حالت برآیند نیروهای وارده به فضاپیما و فضانوردان درون آن برابر صفر خواهد بود، لذا نه تنها فضاپیما روی زمین سقوط نخواهد کرد، بلکه فضانوردان درون آن نیز احساس بی وزنی خواهند کرد.

حال بر اساس این توضیحاتی که به شما داده ام، می دانید که حتی در ارتفاع 500 کیلومتری از سطح زمین، (یعنی در خارج از جو زمین و خلا) نیز نیروی گرانش بر شما وارد می شود. پس اگر از این به بعد کسی به شما گفت که در حالت سقوط اجسام، وزن آن ها صفر خواهد شد، شما نباید از او این موضوع را قبول کنید.

زیرا به عنوان مثال فرض کنید که شما از یک هواپیمای در حال حرکت در ارتفاع بسیار زیادی خود را به بیرون پرت کرده اید و در حال سقوط می باشید. آیا در حالت سقوط آزادی که قرار گرفته اید نیروی گرانشی که بر شما وارد می شود صفر است؟ اگر این موضوع صحت دارد، پس چه نیرویی است که با سرعت هر چه تمام تر شما را به سمت زمین می کشاند؟

البته باید به این نکته نیز توجه نمایید که در حالت سقوط آزاد، مقداری از نیروی گرانش وارد به اجسام توسط نیروی اصطکاک بین هوا و آن جسم کم می شود، ولی همان طور که شاهد هستید، این نیروی اصطکاک به قدری نیست که بتواند نیروی گرانش زمین را کاملاً خنثی کند و با وجود نیروی اصطکاک باز هم اجسام به سمت زمین کشیده می شوند و سقوط می کنند، ولی اگر می خواهید در هنگام سقوط هر چه بیشتر بر نیروی گرانش زمین غلبه کنید، به شما توصیه می کنیم که حتماً از چتر نجات استفاده کنید.

زیرا همان طور که مشاهده کردید، کسانی که در هنگام سقوط از چتر نجات استفاده می کنند، با سرعت کمتری سقوط می کنند که دلیل این موضوع این است که با استفاده از چتر نجات، می توانید خیلی بهتر بر نیروی گرانش زمین غلبه کنید و لذا با شتاب کمتری به سمت زمین سقوط می کنید.

در ابتدا با مفاهیم زیر آشنا می شویم :

- غشای نیمه تراوا : غشایی که نسبت به بعضی از اجزای محلول نفوذ پذیر و نسبت به سایرین غیر نفوذ پذیر است. مثل غشاهای سلولی و سلوفان.

- اسمز : حرکت اجزاء از محلولی با غلظت بیشتر به طرف محلولی با غلظت کم تر.

این حرکت برای حلال این گونه توجیه  می شود:  حرکت حلال از محلولی با غلظت حل شونده ی کم تر به سمت محلولی حاوی غلظت حل شونده ی بیشتر.

- محلول ایزوتونیک : محلولی با فشار اسمزی یکسان در دو طرف یک غشای نیمه تراوا.

- محلول هیپوتونیک : محلولی با فشار اسمزی ای کم تر از محلول هیپرتونیک که دارای فشار اسمزی بالایی است.

اگر لوله ی U شکل زیر را در نظر بگیرید:

حلال از بازوی سمت راست که دارای محلول رقیق است ( غلظت حلال بیشتر است ) به طرف محلول غلیظ ( محلول شامل آب و نمک ) واقع در بازوی سمت چپ، از طریق غشای نیمه تراوا در حال حرکت است. بنابراین رفته رفته مقدار آب در بازوی سمت چپ افزایش می یابد و محلول رقیق تر می گردد و سطح مایع در لوله بالاتر می رود. در این جا اختلاف فشار به صورت اختلاف ارتفاع در دو سمت بازو ایجاد می شود که به صورت فشار در شکل ظاهر شده است. این فشار را فشار اسمزی می نامند.

فشار اسمزی به صورت زیر توسط جاکوب وانت هوف (  Jacobus Henricus van"t Hoff ) فرمول بندی شده است:

نشان دهنده ی فشار اسمزی، R ثابت گاز ایده آل، M مولاریته ی محلول بر حسب مول در لیتر و T دما را بر حسب کلوین نشان می دهد.

ماهیت فشار اسمزی

غشایی مانند سلوفان که برخی از مولکول ها ، نه همه آنها ، را از خود عبور می‌دهد، غشای نیمه تراوا نامیده می‌شود. غشایی را در نظر می‌گیریم که بین آب خالص و محلول قند قرار گرفته است. این غشا نسبت به آب ، تراوا است، ولی «ساکارز» (قند نیشکر) را از خود عبور نمی‌دهد. در شروع آزمایش ارتفاع آب در بازوی چپ لوله U شکل برابر با ارتفاع محلول قند در بازوی راست این لوله است. از این غشا ، محلول های قند نمی‌توانند عبور کنند، ولی مولکول های آب در هر دو جهت می‌توانند عبور کنند.

در بازوی چپ لوله فوق (بازویی که محتوی آب خالص است)، تعداد مولکول های آب در واحد حجم بیش از تعداد آنها در بازوی راست است. از اینرو ، سرعت عبور مولکول های آب از سمت چپ غشا به سمت راست آن بیشتر از سرعت عبور آنها در جهت مخالف است. در نتیجه ، تعداد مولکول های آب در سمت راست غشا به تدریج زیاد می‌شود و محلول قند رقیق‌تر می‌گردد و ارتفاع محلول در بازوی راست لوله U زیاد می‌شود. این فرایند را اسمز می‌نامند.

اختلاف ارتفاع در سطح مایع در دو بازوی لوله U ، اندازه فشار اسمزی را نشان می‌دهد. بر اثر افزایش فشار هیدروستاتیکی در بازوی راست که از افزایش مقدار محلول در این بازو ناشی می‌شود، مولکول های آب از سمت راست غشا به سمت جپ آن رانده می‌شوند تا اینکه سرانجام سرعت عبور از سمت راست با سرعت عبور از سمت چپ برابر گردد.

بنابراین حالت نهایی یک حالت تعادلی است که در آن ، سرعت عبور مولکولهای آب از غشا در دو جهت برابر است.

پدیده ی اسمز در گلبول های قرمز بدن نیز وجود دارد. به این صورت که اگر گلبول های قرمز خون را در محلول آب خالص قرار دهیم، مولکول های آب از جداره ی نیمه تراوای گلبول قرمز عبور کرده و به درون گلبول قرمز راه می یابند. غلظت حلال آب که در اطراف سلول خونی بیشتر بوده و حال به درون سلول خونی راه یافته اند، در نتیجه مقدار آب درون گلبول رفته رفته افزایش یافته و منجر به پاره شدن جداره ی سلول خونی می شود.

اما اگر همین گلبول در محیط آب و نمک قرار گیرد، چون دارای حلال بیشتری است آب از گلبول به محیط اطراف نفوذ می کند و در نتیجه منجر به چروکیده شدن گلبول می شود. بنابراین در تزریقات وریدی بایستی از محلول هایی ( ایزوتونیک )استفاده شود که دارای فشار اسمزی یکسان با فشار اسمزی خون باشند.

زمانی که در لوله ی U شکل، آب از غشای نیمه تراوا عبور می کند و فشار اسمزی را ایجاد می سازد، به علت فشار هیدروستاتیکی محلولی که دارای غلظت حلال بیشتری است، آب مجددا از همان بازو به بازوی دیگری در لوله ی U شکل جریان می یابد تا زمانی که سرعت عبور آب در دو طرف غشا برابر شود در نتیجه فشار تعادلی نیز برقرار می گردد.

حال اگر فشاری بیشتر از فشار تعادلی بر روی بازوی شامل حلال و ماده ی حل شده وارد گردد، حلال آب مجددا از همان بازو به بازوی دیگری جریان می یابد و پدیده ی اسمز معکوس صورت می گیرد.

از روش اسمز معکوس برای خالص سازی آب دریا نیز استفاه می شود.

در دنیای عکاسی غروب آفتاب یکی از زیباترین صحنه‌های عکاسی است، در این نوع عکاسی رنگ بندی‌های عجیبی در غروب آفتاب رخ می‌دهد که این هنر عکاسی است که اینگونه تصویر را به رخ می‌کشند. در زیر مجموعه‌ای از تصاویر غروب آفتاب گردآوری شده است که شما را به مشاهده این تصاویر دعوت میکنیم.