الصوت

ظاهرة فيزيائية تثير حاسة السمع، ويختلف معدل السمع بين الكائنات الحية المختلفة. فيقع السمع عند الآدميين عندما تصل ذبذبات ذات تردد يقع بين (15) و(20.000) هيرتز إلى الأذن الداخلية. وتصل هذه الذبذبات إلى الأذن الداخلية عندما تنتقل عبر الهواء. ويطلق علماء الفيزياء مصطلح الصوت على الذبذبات المماثلة التي تحدث في السوائل والمواد الصلبة. أما الأصوات التي يزيد ترددها على (20.000) هيرتز فتعرف بالموجات فوق الصوتية.
وينتقل الصوت طوليا أو عرضيا. وفي كلتا الحالتين، تنتقل الطاقة الموجودة في حركة موجة الصوت عبر الوسيط الناقل بينما لا يتحرك أي جزء من هذا الوسيط الناقل نفسه. ومثال على ذلك، إذا ربط حبل بسارية من أحد طرفيه ثم جذب الطرف الثاني بحيث يكون مشدودا ثم هزه مرة واحدة، عندئذ سوف تنتقل موجة من الحبل إلى السارية ثم تنعكس وترجع إلى اليد. ولا يتحرك أي جزء من الحبل طوليا باتجاه السارية وإنما يتحرك كل جزء تال من الحبل عرضيا.
ويسمى هذا النوع من حركة الأمواج "الموجة العرضية". وعلى نفس النحو، إذا ألقيت صخرة في بركة مياه، فسوف تتحرك سلسلة من الموجات العرضية من نقطة التأثر. وإذا كان هنالك سدادة من الفلين طافية بالقرب من نقطة التأثر، فإنها سوف تطفو وتنغمس مما يعني أنها سوف تتحرك عرضيا باتجاه حركة الموجة ولكنها ستتحرك طوليا حركة بسيطة جدا.
ومن ناحية أخرى، فإن الموجة الصوتية هي موجة طولية. وحيث أن طاقة حركة الموجة تنتشر للخارج من مركز الاضطراب، فإن جزيئات الهواء المفردة التي تحمل الصوت تتحرك جيئة وذهابا بنفس اتجاه حركة الموجة. ومن ثم، فإن الموجة الصوتية هي عبارة عن سلسلة من الضغوط والتخلخلات المتناوبة في الهواء، حيث يمرر كل جزيء مفرد الطاقة للجزيئات المجاورة، ولكن بعد مرور الموجة الصوتية، يظل كل جزيء في نفس موقعه.
ويمكن وصف أي صوت بسيط وصفا كاملا عن طريق تحديد ثلاث خصائص: درجة الصوت وارتفاع الصوت (أو كثافته) وجودة الصوت. وتتوافق هذه الخصائص تماما مع ثلاث خصائص فيزيائية: التردد والسعة ونمط الموجة. أما الضوضاء فهي عبارة عن صوت معقد أو خليط من العديد من الترددات المختلفة لا يوجد تناغم صوتي بينها.
نبذة تاريخية
لم تكن هناك معلومات واضحة عن تعريف الصوت في التراث القديم. وكان المعماري الروماني ماركوس بوليو الذي عاش في القرن الأول قبل الميلاد قد توصل إلى بعض الملاحظات الهامة عن هذا الموضوع وبعض التخمينات الذكية حول الصدى والتشوش. ويمكن القول أن أول محاولة علمية لوصف الصوت تمت في القرن الرابع الهجري / العاشر الميلادي على يد علماء اللغة المسلمين. فقد وصف الصوتيون المسلمون جهاز النطق عند الإنسان وأسموه (آلة النطق) وبحثوا في العمليات الفسيولوجية والميكانيكية التي تتم عند نطق الأصوات. أما من ناحية العمليات الفسيولوجية والميكانيكية، فقد تحدثوا عن خروج الهواء من الرئتين مارا بالحنجرة والفم والأنف ووصفوا حركة اللسان والفك والشفتين فقال ابن جني: "اعلم أن الصوت عرض يخرج مع النفس مستطيلا متصلا حتى يعرض له في الحلق والفم والشفتين مقاطع تثنية عن امتداده واستطالته، فيسمى المقطع أينما عرض له حرفا وتختلف أجراس الحروف بحسب اختلاف مقاطعها".
وفي القرن الرابع الهجري / العاشر الميلادي ورد أول تعريف علمي للصوت فيقول إخوان الصفا في رسائلهم : "إن كل جسمين تصادما برفق ولين لا تسمع لهما صوتا، لأن الهواء ينسل من بينهما قليلا قليلا، فلا يحدث صوت، وإنما يحدث الصوت من تصادم الأجسام، متى كانت صدمها بشدة وسرعة، لأن الهواء عند ذلك يندفع مفاجأة، ويتموج بحركته إلى الجهات الست بسرعة، فيحدث الصوت، ويسمع".
وقد عزا ابن سينا في كتابه الشفاء حدوث الصوت إلى اهتزاز الهواء، وهذا يحدث عند ضرب الأجسام بعضها بعضا وهذا ما أسماه بالقرع أو عند انتزاع جسم من جسم آخر، وهذا ما سماه بالقلع، وفي كلتا الحالتين يحدث الصوت عن اهتزاز الهواء ففي حالة القرع ينضغط الهواء، فيطرد في كل الاتجاهات، وفي حالة القلع يحدث فراغ في مكان الجسم المنتزع، فيأتي الهواء بسرعة ليحل محله.
ويقسم إخوان الصفا الأصوات إلى أنواع شتى بحسب الدلالة والكيفية والكمية. فأما ما هو بحسب الدلالة، فيقسمونها إلى قسمين: مفهومة وغير مفهومة. "فالمفهومة هي الأصوات الحيوانية، وغير المفهومة أصوات سائر الأجسام مثل الحجر والمدر وسائر المعدنيات. والحيوانات أيضا على ضربين: منطقية وغير منطقية. فغير المنطقية هي أصوات الحيوانات غير الناطقة، وهي نغمات تسمى أصواتا ولا تسمى منطقا لأن النطق لا يكون إلا في صوت يخرج من مخرج يمكن تقطيعه بالحروف التي إذا خرجت عن صفة الحروف، أمكن اللسان الصحيح نظمها وترتيبها ووزنها، فتخرج مفهومة باللغة المتعارفة بين أهلها، فيكون بذلك النطق الأمر والنهي والأخذ والإعطاء والبيع والشراء والتوكيل وما شاكل ذلك من الأمور المخصوصة بالإنسان دون الحيوان. فهذا فرق ما بين الصوت والنطق.
وفي موضع آخر ذكروا: "اعلم يا أخي أن الأصوات نوعان: حيوانية وغير حيوانية؛ وغير الحيوانية أيضا نوعان: طبيعية وآلية. فالطبيعية هي كصوت الحجر والحديد والخشب والرعد والريح وسائر الأجسام التي لا روح فيها من الجمادات، والألية كصوت الطبل والبوق والزمر والأوتار وما شاكلها".
فأما مخارجها من سائر الحيوان فإنها من الرئة إلى الصدر، ثم إلى الحلق، ثم إلى الفم يخرج من الفم شكل على قدر عظم الحيوان وقوة رئته وسعة شدقه، وكلما اتسع الحلقوم وانفرج الفكان وعظمت الرئة، زاد صوت ذلك الحيوان على قدر قوته وضعفه. وأما الأصوات الحادثة من الحيوان الذي لا رئة له مثل الزنانير والجنادب والصرصر والجدجد وما أشبه ذلك من الحيوانات، فإنه يستقبل الهواء ناشرا جناحيه، فاتحا فاه، ويصدم الهواء، فيحدث منه طنين ورنين يشبه صوتا. وأما الحيوان الأخرس كالحيات والديدان وما يجري هذا المجرى، فإنه لا رئة له، وما لا رئة له لا صوت له".
وأما الحيوان الإنسي فأصواته على نوعين: دالة وغير دالة. فأما غير الدالة فهي صوت لا هجاء له ولا يتقطع بحروف متميزة يفهم منها شيء مثل البكاء والضحك والسعال والأنين وما أشبه ذلك. وأما الدالة فهي كالكلام والأقاويل التي لها هجاء في أي لغة كانت وبأي لفظ قيلت".
أما من جهة الكيفية فيقسم إخوان الصفا الأصوات إلى ثمانية أنواع، كل نوعين منها متقابلان من جنس المضاف وهم "العظيم والصغير والسريع والبطيء والحاد والغليظ والجهير والخفيف. فأما العظيم والصغير من الأصوات فبإضافة بعضها إلى بعض، والمثال في ذلك أصوات الطبول، وذلك أن أصوات طبول المواكب، إذا أضيفت إلى أصوات طبول المخانيث، كانت عظيمة، وإذا أضيفت إلى أصوات الرعد والصواعق كانت صغيرة. والكوس هو الطبل العظيم يضرب في ثغور خراسان عند النفير يسمع صوته من فراسخ. فعلى هذا المثال يعتبر عظم الأصوات وصغرها بإضافة بعضها إلى بعض. وأما السريع والبطيء من الأصوات بإضافة بعضها إلى غيرها، والمثال في ذلك أصوات كوذينات القصارين ومطارق الحدادين فإنها سريعة بالإضافة إليها، وأما بالإضافة إلى أصوات مجاديف الملاحين فهي سريعة بالإضافة إلى دق الرزازين والجصاصين، وهي بطيئة بالإضافة إليها، وأما بالإضافة إلى أصوات مجاديف الملاحين فهي سريعة. وعلى هذا المثال تعتبر سرعة الأصوات وبطؤها بإضافة بعضها إلى بعض، وأما الحاد والغليظ من الأصوات بإضافة بعضها إلى بعض فهي كأصوات نقرات الزير وحدته، بالإضافة إلى نقرات المثنى، والمثنى إلى المثلث، والمثلث إلى البم ، فإنها تكون حادة. فأما بالعكس فإن صوت البم بالإضافة إلى المثلث، والمثلث إلى المثنى، والمثنى إلى الزير فغليظة. ومن وجه آخر أيضا فإن صوت كل وتر مطلقا غليظ بالإضافة إلى مزمومه أي مزموم كان. فعلى هذا القياس تعتبر حدة الأصوات وغلظها بإضافة بعضها إلى بعض."
ويقسم إخوان الصفا الأصوات من جهة الكمية إلى نوعين، متصلة وغير متصلة. "فالمنفصلة هي التي بين أزمان حركة نقراتها زمان سكون محسوس، مثل نقرات الأوتار وإيقاعات القضبان. وأما المتصلة من الأصوات فهي مثل أصوات النايات والدبادب والدواليب و النواعير وما شاكلها. والأصوات المتصلة تنقسم نوعين: حادة وغليظة، فما كان من النايات والمزامير أوسع تجويفا وثقبا، كان صوته أغلظ؛ وما كان أضيق تجويفا وثقبا، كان صوته أحد. ومن جهة أخرى أيضا ما كان من الثقب إلى موضع النفخ أقرب، كانت نغمته أحد، وما كان أبعد، كان أغلظ."
شدة الصوت
لقد تطرق العلماء المسلمون لتعريف شدة الصوت فيذكر إخوان الصفا: "والأجسام الكبار العظام إذا تصادمت يكون اصطدامها أعظم من أصوات ما دونها، لأن تموج هوائها أكثر. وكل جسمين من جوهر واحد، مقدارهما واحد وشكلهما واحد، إذا تصادما معا، فإن صوتيهما يكونان متساويين. فإن كان أملس فإن صوتيهما يكونان أملس من السطوح المشتركة، والهواء المشترك بينهما أملس. والأجسام الصلبة المجوفة كالأواني وغيرها والطرجهارات إذا نقرت طنت زمانا طويلا، لأن الهواء يتردد في جوفها ويصدم في حافاتها، ويتموج في أقطارها، وما كان منها أوسع كان صوته أعظم، لأن الهواء يتموج فيها ويصدم في مروره مسافة بعيدة. والحيوانات الكبيرة الرئة، الطوال الحلاقيم، الواسعة المناخر والأشداق تكون جهيرة الأصوات، لأنها تستنشق هواء كثيرا، وترسله بشدة. فقد تبي ن بما ذكرنا أن علة عظم الصوت إنما هو بحسب عظم الجسم المصوت وشدة صدمة الهواء، وكثرة تموجه في الجهات. وأن أعظم الأصوات صوت الرعد.
تمييز الصوت
يشير إخوان الصفا في تمييز الصوت إلى ما نصه: "وكل هذه الأصوات مفهومها وغير مفهومها، حيوانها وغير حيوانها، إنما هي قرع يحدث في الهواء من تصادم الأجرام وعصر حلقوم الحيوان. وذلك أن الهواء، لشدة لطافته وصفاء جوهره وسرعة حركة أجزائه، يتخلل الأجسام كلها ويسري فيها ويصل إليها ويحرك بعضها إلى بعض. فإذا صدم الأجسام كلها ويسري فيها ويصل إليها ويحرك بعضها إلى بعض. فإذا صدم جسم جسما، انسل ذلك الهواء من بينهما، وتدافع وتموج إلى جميع الجهات، وحدث من حركته شكل كروي يتسع كما تتسع القارورة من نفخ الزجاج. وكلما اتسع الشكل، ضعفت قوة ذلك الصوت إلى أن يسكن. ومثل ذلك إذا رميت في الماء الهادىء الواقف في مكان واسع حجرا، فيحدث في ذلك الماء دائرة من موضع وقع الحجر، فلا تزال تتسع فوق سطح الماء وتتموج إلى سائر الجهات. وكلما اتسعت ضعفت حركتها حتى تتلاشى وتذهب. فمن كان حاضرا في ذلك الموضع أو بالقرب منه من الحيوان، سمع ذلك الصوت، فبلغ ذلك التموج الذي يجري في الهواء إلى مسامعه ودخل صماخه، وتحرك الهواء المستقر في عمق الأذنين بحسب القوة السامعة بذلك التموج والحركة التي تنتهي إلى مؤخر الدماغ. ثم يقف فلا يكون له مخرج، فيؤديه إلى الدماغ، ثم يؤديه الدماغ إلى القلب، فيفهم القلب من هذه الحاسة ما أدته إليه من ذلك الحادث. فإن كان صوتا مفهوما يدل على معنى، توجهت المعرفة بذلك؛ وإن كان غير مفهوم، فإنه لا بد أن يستدل بصفاء جوهره على ذلك الصوت، ومن أي جوهر حدث، وعن أي حركة عرض، وهو يستدل على ذلك من ماهية الصوت وكيفية التموج والقرع والحركة الواصلة إلى حاسة السمع. ومثال ذلك طنين الطاس، فإنه إذا سمعه الإنسان قال: هذا طنين الطاس حدث من قرع شيء آخر أصابه، إما من جهة حيوان أو حدوث شيء وقع عليه من غير قصد ولا تعمد".
وأما حاسة السمع فإنها لا تكذب وقلما تخطئ، وذلك لأنه ليس بينها وبين محسوساتها إلا واسطة واحدة وهي الهواء، وإنما يكون خطؤها بحسب غلظ الهواء ورقته، وذلك أنه ربما كانت الريح عاصفة والهواء متحركا حركة شديدة، فيصوت المصوت في مكان قريب من المسامع، فلا يسمع من شدة حركة الهواء وهيجانه، فتكون حركة ذلك الصوت يسيرة في ش دة حركة الهواء وهيجانه، فيضعف عن الوصول إلى الحاسة السامعة. وإذا كان الهواء في مكان يمكن أن يتصل به ذلك التموج والحركة الحادثة في الهواء. فأما إذا كانت المسافة بعيدة فإنها لا تدركه وتتلاشى تلك الحركة وتنفد قبل وصولها إليها".

تابع الصوت

واعلم أن كل صوت له نغمة وصفية وهيئة روحانية، خلاف صوت آخر، وأن الهواء من شرف جوهره ولطافة عنصره يحمل كل صوت بهيئته وصفته، ويخفضها لئلا يختلط بعضها ببعض، فيفسد هيئتها، إلى أن يبلغها إلى أقصى مدى غاياتها عند القوة السامعة، لتؤديها إلى القوة المتخيلة التي مسكنها مقدم الدماغ، وذلك تقدير العزيز الحكيم (الذي جعل لكم السمع والأبصار والأفئدة، قليلا ما تشكرون).
التطبيقات العملية
إن أول تطبيق علمي لظاهرة الصوت كان في المباني أو ما يعرف حديثا بعلم الصوت المعماري، ألا وهو العلم الذي يتعامل مع إنشاء مناطق مغلقة من أجل تحسين الاستماع إلى الحديث أو الموسيقى، يدين بأصوله إلى العلماء المسلمين. وقد استخدم التقنيون المسلمون خاصية تركيز الصوت في أغراض البناء والعمارة، وخاصة المساجد الجامعة الكبيرة لنقل وتقوية صوت الخطيب والإمام أيام الجمع والأعياد. ويعد مسجد أصفهان القديم، ومسجد العادلية في حلب ، وبعض مساجد بغداد القديمة، نموذجا لتلك التقنية. فالمساجد مصممة سقوفها وجدرانها على شكل سطوح مفرعة موزعة في زوايا المسجد بطريقة دقيقة تضمن توزيع الصوت بانتظام على جميع الأرجاء. كما راعت تقنية القباب في المساجد أيضا ذلك في تصميماتها في العصور الإسلامية المتأخرة.
ولكن أول من عالج الجوانب العلمية لهذا الموضوع معالجة شاملة ودقيقة كان عالم الفيزياء الأمريكي جوزيف هنري عام 1272هـ / 1856 م بينما طور هذه الجوانب عالم الفيزياء الأمريكي والاس سابين عام 1240هـ / 1900 م. ويجب أن يؤخذ التصميم الصوتي في الاعتبار أنه بالإضافة إلى الخصوصيات الفسيولوجية للأذن، فإن هناك خصائص نفسية معينة تجعل عملية السمع عملية معقدة. على سبيل المثال، فالأصوات غير المألوفة تبدو غير طبيعية. فالصوت الذي يصدر في غرفة عادية يتحسن إلى حد ما بالصدى الذي ينتج من جراء الانعكاسات الصادرة من الجدران والأثاث، ولهذا السبب، فإنه يجب أن يتسم الاستديو الإذاعي بدرجة عادية من الصدى لضمان صدور الصو ت بطريقة طبيعية. وللحصول على أفضل جودة سمعية، تصمم الغرف بحيث تصدر انعكاسات كافية لخروج الصوت الطبيعي بدون إحداث صدى لترددات معينة بطريقة غير طبيعية، وبدون حدوث أية تأثيرات من جراء التشوش. ويسمى الوقت المطلوب لإنقاص الصوت إلى نسبة واحد في المليون من كثافته الأصلية "وقت الارتداد". إن وقت الارتداد هذا يحسن من التأثيرات الصوتية، حيث يمكن الاستماع لصوت عال لمدة ثانية أو ثانيتين بعد توقف الصوت في قاعة الاستماع. أما في المنزل، فيكون وقت الارتداد مطلوبا ولكنه يكون أقصر ولكنه ما زال ملحوظا. وبغرض تحسين الصدى، فإن لدى المهندسين المعماريين نوعين من الأدوات: أدوات ممتصة للصوت وأدوات عاكسة للصوت حيث يستخدمها في تبطين أسطح السقوف والجدران والأرضيات. وتوجد بعض المواد الناعمة الملمس مثل الفلين واللباد وهي تمتص معظم الصوت الذي يصطدم بها على الرغم من أنها قد تعكس بعض الأصوات ذات التردد البطيء. أما المواد الصلبة مثل الحجارة والمعادن فتعكس معظم الصوت الذي يصطدم بها. فقد تكون الأصوات الصادرة من قاعة اجتماعات كبيرة مختلفة إذا كانت الحجرة ممتلئة أو فارغة، حيث تعكس الكراسي الفارغة الصوت بينما يمتص الحاضرون الصوت.
وفي معظم الحالات، سوف تكون الأصوات الصادرة من حجرة ما على مستوى مرض إذا كان يوجد هنالك توازن مناسب بين المواد الممتصة للصوت وتلك العاكسة له. وقد يحدث صدى مزعج في حجرة إذا كان السقف أو الحائط مقعرا وعاكسا للصوت بدرجة عالية، وفي هذه الحالة، قد يتركز الصوت في نقطة معينة مما يجعل الأصوات الصادرة سيئة في هذه النقطة من الحجرة. وعلى نفس المنوال، فإن الممر الضيق بين جدران متوازية عاكسة قد يحجز الصوت من جراء الانعكاس المتكرر مما يسبب صدى مزعجا حتى ولو كان الامتصاص الكلي كافيا. كما يجب توجيه الاهتمام نحو التخلص من التشوش. حيث ينتج مثل هذا التشوش بسبب الفرق في المسافات التي يعبرها الصوت المباشر والصوت المعكوس مما يؤدي إلى ظهور ما يعرف بـ "البقع الميتة"، حيث تلغى بها أنواع معينة من التردد. كما أن صدور الصوت من خلال ميكروفون يتطلب التخلص من كل من الصدى والتشوش.

الذرة ومكوناتها
الذرة Atom

تتكون العناصر من وحـدات صغيرة الحجم إلى مـد كبير تسمى الذرات ، إن النقطة التي تضعها على أي حرف أبجدي تحوي عدداً هائلاً من الذرات يصعب على أي إنسان تخيلـه ، ولم يستطع العلماء الذين يدرسون الذرات ويجـرون الأبحاث أن يحصلوا على ذرة واحدة مستقلة، إن هذا الأمر مستحيل حتى الآن ، ولكن تجمع الذرات مع بعضها بأعداد هائلة جداً شيء معروف ، فقطع المعادن الصلبة وكميات العناصر السائلة والغازية هي تجمعات هائلة من الذرات ، من هذا يتضح لنا أن حجم الذرة اللامتناهي في الصغر يجعل إمكانية تخيلها أمـراً في غاية الصعوبة ، ومع ذلك فقد تمكن العلماء من اعتماد صورة مبسطة ومعبرة للذرة وذلك حسبما تجمع عندهم من معلومات ومعطيات .
أقسام الذرة ومكوناتها :
تتكون الذرة (كما يظهر في الشكل) من قسمين أساسيين :
النـواة : وهي صغيرة الحجم موجبة الشحنة وثقيلة الوزن بالنسبة لباقي مكونات الذرة .
المحيط الخارجي : وهو عبارة عن مجموعـة مستويات تتحـرك فيها الإلكترونات حول النواة بسرعة هائلة ، والمحيط الخارجي كبير الحجم مقارنة بالنواة وسالب الشحنة وخفيف الوزن, أي أن صفاته تعاكس صفات النواة. ويجب أن يذكر من الآن أننا عند الرسم على الورق لا نستطيع أن نراعي نسبة حجم النواة إلى حجم المحيط وهي 1 : 100000 .
ما الدقائق التي تتكون منها الذرة في النواة وفي مستويات المحيط الخارجي ؟ هذا ما ستعرفه الآن :
تحوي النواة نوعين من الدقائق هي :
البروتونات (Protons) : المقطع (Proto) يعني الأصل أو الأساس ، وهذا هو المكون الأولي للذرة والمسؤول عن خواصها ، والبروتونات دقائق تحمل شحنة موجبة (+) وثقيلة الوزن .
النيوترونات (Neutrons ) : هذه الدقيقة متعادلة ولا تحمل شحنة وهذا هو معنى كلمة نيوترون . النيوترونات هي اثقل دقائق الذرة وزنـاً فـوزن النيوترون اكبر بمقدار ضئيل من وزن البروتون .
أما مستويـات المحيط الخارجي فتتحرك فيها دقائق من نـوع ثالث هي الإلكترونات (Electrons) ومقطع (Electo ) معناه ( كهربائي ) ، والإلكترون دقيقة تحمل شحنة سالبة (-) معادلة بالضبط لشحنة البروتون الموجبة ، أما وزنه فهو خفيف جدا ويعادل1/1836 من وزن البروتون .
أيمكنك الآن أن تفسر لماذا تعتبر كتلة الذرة مركزة في نواتها ?
هل الإلكترون الموجود في ذرة الليثيوم يختلف عن الإلكترون الموجود في ذرتي الكربون والفسفور ؟
ما الفرق بين البروتون الموجود في ذرة الفوسفور والبروتون الموجود في ذرة الكربون ؟
بماذا يختلف نيوترون ذرة الكربون عن نيوترون ذرة الحديد؟
كم عدد بروتونات ذرة الليثيوم ؟ هل يتشابه مع عدد البروتونات في ذرتي الكربون والفوسفور؟
ماذا تستنتج من إجابتك على السؤال السابق؟
انظر إلى رسم ذرة الكربون , كم عدد البروتونات في نواتها؟ بعد ذلك انظر إلى جدولك الدوري وحدد موقع هذا العنصر , ما العدد الكبير المكتوب في المربع أسفل الرمز ؟ ما العلاقة بين هذا العدد وعدد بروتونات الكربون ؟
كرر الخطوة السابقة على عنصري الليثيوم والفسفور؟
يمكن القول إذن أن موقع العنصر في الجدول الدوري يحدده عدد ـــــــــ الموجودة في نواته.
بالاستعانة بجدولك الدوري حدد عدد البروتونات في نواة كل عنصر من العناصر التالية:
ح.................. ز................... و................... هـ................. د................... ج.................. ب.................. أ
الزئبق............ القصدير......... الخارصين.........المنغنيز..........الأرجون........ ..الكبريت.........النيون............الفلور
لقد اتفق علماء الكيمياء على إطلاق مصطلح " العدد الذري" على عدد الشحنات الموجبة ( البروتونات ) الموجودة في نواة ذرة العنصر , وهو نفس العدد الدال على المربع الذي يحتله العنصر في ـــــــــ.
من جدولك الدوري استخرج العدد الذري لكل عنصر مما يلي:
د................... ج.................. ب.................. أ
الكريبتون...... الحديد............ الكالسيوم...... النيتروجين
اعتماداً على ما سبق أكمل الفراغات في العبارات التالية:
تختلف العناصر عن بعضها في أعدادها الذرية , فلا يمكن أن يكون لعنصرين ــــــــــ نفسه.
تتحدد خواص العنصر الفيزيائية والكيميائية اعتماداً على عدد الشحنات ـــــــــــ الموجودة في نواته , أي على عدده الذري.
لا يمكن أن تتشابه ذرتان لعنصرين مختلفين في ـــــــــــ ـــــــــــ لكليهما.
لا يمكن أن يحتل عنصران مختلفان المربع نفسه في ــــــــــ ــــــــــــ.
اذكر أربع خواص فيزيائية يختلف فيها الحديد عن الزئبق.
بما أن البروتون والنيوترون أثقل بكثير من الإلكترون كما ذكرنا سابقا ، لذلك يمكن إهمال كتلة الإلكترون عند الحديث عن الكتلة الذرية .
وضع الكيميائيون مفهوما أسموه العدد الكتلي وهو عدد صحيح مجرد (ليس له وحدة) .
يمثل العدد الكتلي مجموع عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في نواة ذرة العنصرانظر إلى جدولك الدوري تجد في مربعات العناصر التالية :
البروم............ الحديد............ الألمنيوم

المصدر:-
http://www.schoolarabia.com/kemya/le...dad_althry.htm

الاتزان الحراري (إشعاع الجسم الأسود)

ينبعث إشعاع كهرومغناطيسي من كل الأجسام عند أية درجة حرارة يتواجد عندها ويسمى بالإشعاع الحراري. كمية هذا الإشعاع الحراري المنبعث من الجسم يزداد بزيادة درجة حرارة ويقل بنقصانها. كما أن الأجسام تتبادل الحرارة بينها وبين الوسط المحيط بها إذا اختلفت درجات الحرارة بينهما, فإذا كانت درجات الحرارة متساوية ففي هذه الحالة يكون الجسم في حالة اتزان حراري Thermal Equilibrium أي إن ما يمتصه الجسم من أشعة حرارية من الوسط المحيط به لكل وحدة زمن تساوي ما ينبعث منه.
إن توزيع الأشعة المنبعثة من الجسم عند درجة حرارة معينة كدالة في الطول الموجي كانت مسألة محيرة للعلماء حيث إنهم لم يجدوا تفسيراً علمياً للنماذج العملية التي توضح علاقة توزيع الأشعة مع الطول الموجي ولم تكن النظرية الكلاسيكية قادرة على إيجاد تفسير لها وذلك حتى مطلع القرن العشرين.
المنحني الموضح في الشكل التالي يوضح العلاقة لتوزيع شدة الأشعة المنبعثة من الجسم الأسود كدالة في الطول الموجي بوحدة النانومتر.. والمنطقة المحددة بالون الأزرق إلى اللون الأحمر توضح الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي.


ما هو الجسم الأسود
تعتمد الأشعة المنبعثة من الجسم بالإضافة إلى درجة حرارته على عدة عوامل مثل نوع مادة الجسم ولذلك تم تعريف جسم مثالي عبارة عن جسم اسود قادر على امتصاص كافة الأشعة الساقطة عليه وهذا الجسم عبارة عن صندوق مجوف له ثقب صغير فإذا سقط شعاع إلى داخل الصندوق من خلال الثقب فإن الشعاع ينعكس على جدران الصندوق الداخلي حتى يتم امتصاصه بالكامل.


توزيع الانبعاث الحراري الصادر عن الجسم الأسود
بدراسة الانبعاث الحراري المنبعث من الجسم الأسود عند درجات حرارة مختلفة وجد عملياً أن هناك نتيجتان هما:
* النتيجة الأولى: أن هناك توزيعاً معيناً لشدة الإشعاع المنبعث من الصندوق الأسود كدالة في الطول الموجي () أو طاقة الأشعة لأن الطاقة E ترتبط مع الطول الموجي من خلال العلاقة
E = hc / 
كما إن الطاقة ترتبط مع التردد من خلال العلاقة التالية:
E = = h
حيث  المتردد.

* النتيجة الثانية: كلما زادت درجة الحرارة للجسم الأسود تكون الطاقة المنبعثة منه تحدث عن أطوال موجية اقل ويزداد مقدار الإشعاع بزيادة درجة الحرارة.
الشكل التالي يوضح رسم بياني للنتائج العملية لإشعاع الجسم الأسود عند درجات حرارة مختلفة



لا شك إن ظاهرة إشعاع الجسم الأسود نلاحظها في حياتنا اليومية فعند تسخين جسم ما مثل الحديد نلاحظ إن الجسم عندما ترتفع حرارته يبدأ في إشعاع لون قريب من اللون الأحمر وعندها تكون درجة حرارة الجسم تقارب 700 درجة مئوية ثم بزيادة الحرارة يتحول إلى اللون البرتقالي وهكذا حتى يصل إلى اللون الأبيض والذي يدل على أن الجسم وصل إلى درجة جرارة 1200 درجة مئوية. فمثلاً فتيلة المصباح الكهربي التي تعطي الضوء الأبيض فإن حرارتها ترتفع بمرور التيار الكهربي فيها إلى إن تصل درجة الحرارة إلى 1200 درجة مئوية.

محاولات وتفسيرات العلماء للطيف المنبعث من الجسم الأسود
قانون ستيفان بولتزمان
ينص قانون ستيفان بولتزمان على أن الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود لكل وحدة مساحة تتناسب مع القوة الرابعة لدرجة جرارة الجسم.
E(T)  T4
E(T) =  T4
E(T) is the energy of the blackbody radiation per unit area
 is called Stefan constant = 5.67×108 Watt/m2K4
T is the temperature in Kelvin

وثابت ستيفان لا يعتمد على المادة أو طبيعتها أو شكلها وهو ثابت عام.
وهذا القانون أثبته العالم بولتزمان باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية وسمي باسميهما..

قانون وينز
يتعلق قانون وينز بتردد الأشعة التي يكون عندها الإشعاع الحراري اكبر ما يمكن وقد وجد علمياً أن التردد يزداد بزيادة درجة الحرارة كما هو موضح في المنحنيات التالية:

ووضع العام وينز القانون التالي:
max = constant × T (Winz Displacement Law)

حيث إن قيمة الثابت تساوي 5.88×1010Hz/K
قام العالم وينز بوضع معادلة لتفسير توزيع كثافة الطاقة على الأطوال الموجية في حدود المدى من +d وهي على النحو التالي:

حيث أن c1, c2 ثوابت اختيارية لمطابقة المعادلة مع النتائج العملية ووجد أن هذه المعادلة تنطبق على إشعاع الجسم الأسود عن الترددات العالية فقط (الأصول الموجية القصيرة).

نظرية رايلي جينز
اعتبر العالمان رايلي وجينز أن الجسم الأسود مكون من عدد كبير من المتذبذبات المشحونة التي تتحرك حركة توافقية بسيطة simple harmonic motionوهذه المتذبذبات المشحونة تطلق أشعة كهرومغناطيسية أثناء حركتها بحيث تكون كثافة توزيع الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود مساوية لكثافة الطاقة للمتذبذبات عند الاتزان الحراري. وقد وضع العالمان بناء على هذه الفرضية المعادلة التي تعطي عدد المتذبذبات لكل وحدة حجوم المسئولة عن كثافة الإشعاع عند طول موجي معين حيث أن:

وتكون طاقة هذا العدد من المتذبذبات هي المسئولة عن طول موجي في المنطقة من +d عند درجة حرارة T

حيث KT تعطي قيمة متوسط طاقة المتذبذبات وK هو ثابت بولتزمان والطرف الأيسر من المعادلة يعبر عن الطاقة لكل وحدة حجوم.
ولكن هذه الفرضية لرايلي وجينز فشلت في تفسير طيف الجسم الأسود.

نظرية بلانك لإشعاع الجسم الأسود
وضع بلانك نظريته لتفسير ظاهر إشعاع الجسم الأسود وقد كانت نظريته ناجحة وذلك لاعتماده على استخدام مبدأ تكميم الإشعاع. وقد وضع بلانك بعض الافتراضات على أساس النظرية الكمية للإشعاع وهي على النحو التالي:
(1) كمية الطاقة المنبعثة أو الممتصة من المتذبذب في الجسم الأسود تتناسب مع تردده أي أن
E  
E = h
where h is the blank constant = 6.6×10-34J.s

(2) تأخذ طاقة المتذبذب قيم محددة (مكممة) أي أن
En = nh*
Where n is the principle quantum number (n = 0, 1, 2, 3, …….)

فإذا كانت n=0 يكون المتذبذب في أدنى قيمة له في الطاقة ويسمى Ground Level أما إذا كانت n=1 فإن المتذبذب يكون في مستوى طاقة رقم (1) وهكذا ....
من هنا نلاحظ أن بلانك ادخل مبدأ التكميم على المتذبذبات في الجسم الأسود وأنها لها طاقات محددة وبقيم محددة بالعدد الكمي n ولا وجود لقيم متصلة للطاقة كما افترض العالمان رايلي جينز.
وعند امتصاص أشعة أو انبعاثها من الجسم الأسود فإن طاقتها تساوي فرق الطاقة بين مستويات الطاقة للمتذبذبات بحيث إن
E = h
ويحمل هذا الكم من الطاقة جسيم يسمى الفوتون Photon وتكون كمية حركته
P = h/
وعلى أساس هذه الفرضيات تمكن العالم بلانك من اشتقاق قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود الذي فسر النتائج العلمية

http://www.hazemskeek.com/Physics_Le..._Lecture_2.htm

اشباه الموصلات
* ** تقسم المواد من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربائى الى ثلاثة أقسام :
1. الموصلات : conductors
2. العازلات : insulators
3. أشباه الموصلات : semiconductors

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ــــــــــــــــــــــــ
مقارنة بين المواد الموصلة والعازلة وأشباه الموصلات :
1------------------------------------------2--------------------------------------------------------3----------------------------------------4
أشباه الموصلات ------------------- المواد العازلة -------------- المواد الموصلة --------------- وجه المقارنة

امثلة-------الفلزات ( الفضة - النحاس - الحديد - الرصاص - - ) -----------الزجاج - الخزف - الكوارتز - البورسلين - الابونيت - الكهرمان ------------الجرمانيوم - السيلكون - كبريتيد الرصاص - كبريتيد الكادميوم

المقاومة النوعية -------( من 5-10 الى 8-10 ) أوم . متر -----------كبيرة جدا فى درجة حرارة الغرفة فى المدى من ( 106الى1016 ) اوم . متر
--------------- متوسطة عند درجة الحرارة العادية فى المدى من (5ooooo --- 0.00005 ) اوم متر

نطاق التكافؤ ---------------مملوء بالالكترونات -------------- مملوء بالالكترونات------------- مملوء بالالكترونات

نطاق التوصيل ------------- مملوء جزئيا بالالكترونات عند درجات الحرارة الاعتيادية --------------- خالى من الالكترونات الحرة عند درجات الحرارة العادية -------------------- خالى من الالكترونات تماما فى درجة الصفر المطلق

طاقة الفجوة --------------- صغيرة جدا ( 0.01 ) الكترون . فولت ------------ كبيرة جدا ( 5 ) الكترون . فولت ------------ من ( 2 الى 0.7 )الكترون . فولت

تأثير رفع درجة الحرارة على المقاومة ------------ تزداد المقاومة ------------ تنخفض المقاومة ولكنها تظل كبيرة لدرجة ان المادة الصلبة تنصهر قبل ان تصبح موصلة ---------------- تنخفض المقاومة بشكل كبير

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ـــــــــــــ
ملاحظات على المقارنة السابقة :
1- تعتمد مقاومة المواد المختلفة على نقاوتها حيث :
• ( أ ) المواد الموصـــلة - لا يؤثر وجود الشوائب فى الفلزات على تركيز حاملات الشحنة المتحركة ولكنه يغير نشاطها كثيرا حيث تحدث الشوائب عيوبا فى الشبكة البلورية تزيد من مقاومتها للتيار الكهربائى - اذا الشوائب فى الفلزات تزيد المقاومة للتيار الكهربائى
• ( ب) المواد العازلة - فى المواد العازلة يكون لذرات الشوائب الكترونات ضعيفة الصلة بهذه الذرات حيث يمكن لهذه الالكترونات أن تنفصل بسهولة عن ذراتها وتصبح حرة - اذا الشوائب فى المواد العازلة تقلل من مقاومتها بصورة عامة
• ( ج ) أشباه الموصلات - تقل المقاومة بصورة كبيرة فى أشباه الموصلات نتيجة اضافة الشوائب اليها . وأكثر من ذلك يمكن باختيار الشوائب بطريقة خاصة تغيير مقاومة اشباه الموصلات فى الاتجاه المطلوب ولذلك تستخدم أشباه الموصلات المشابة على نطاق واسع
2 - تعتمد مقاومة المواد المختلفة على درجة حرارتها حيث :
• ( أ ) المواد الموصلة - تزداد مقاومة الفلزات نتيجة رفع درجة حرارتها وتقل بالتبريد وتساوى الصفر فى قابلية التوصيل العالى
• ( ب ) المواد العازلة - تقل مقاومة المواد العازلة بالتسخين ولكنها على الرغم من ذلك تبقى كبيرة حيث يحتاج الالكترون الى طاقة كبيرة حتى ينفصل عن الذرة . لذا تنصهر معظم المواد العازلة الصلبة قبل أن تصبح موصلة
• ( ج ) أشباه الموصلات : عند رفع درجة حرارة أشباه الموصلات تزداد كمية حاملات الشحنة المتحركة وتقل المقاومة بشكل كبيرولكنها لا تتصف بقابلية التوصيل العالى والعكس صحيح حيث تزداد المقاومة بخفض درجة الحرارة وتصبح قريبة من مقاومة المواد العازلة -


مصطلحات هامة
1. الكترونات التكافؤ : هى الالكترونات فى المستوى الاخير فى الذرة
2. نطاق الطاقة : مجموعة من مستويات الطاقة المتقاربة فروق الطاقة بينها صغيرة وتفصلها فجوات تخلو من مستويات الطاقة
3. نطاق التكافؤ : هو نطاق الطاقة الخارجى فى البلورة
4. نطاق التوصيل : هو النطاق الذى يعلو نطاق التوصيل فى البلورة
5. طاقة الفجوة : هى الطاقة التى تلزم الالكترون لكى ينتقل من نطاق التكافؤ الى نطاق التوصيل
6. المواد شبه الموصلة : عناصر رباعية التكافؤ ترتبط ذراتها ببعضها البعض بروابط تساهمية وتكون عازلة تماما فى درجة الصفر المطلق وتزداد درجة توصيلها بارتفاع درجة حرارتها
7. بلورة شبه الموصل النقية : هى بلورة شبه الموصل التى تتكون من ذرات السيلكون أو الجرمانيوم عن طريق مشاركة كل ذرة بالكترونات التكافؤ الاربعة مع أربع ذرات مجاورة ( رابطة تساهمية )
8. الفجوة :هى الفراغ الذى يخلفه الالكترون المتحرر من الرابطة التساهمية بسبب ارتفاع درجة حرارة بلورة شبه الموصل
9. التطعيم : هو اضافة كمية قليلة من ذرات مادة معينة الى بلورة شبه الموصل بهدف زيادة عدد الالكترونات أو الفجوات
10. بلورة شبه الموصل غير النقية : بلورة شبه موصل تطعم بذرات من مادة شائبة أخرى

*** قارن بين بلورة شبه الموصل من النوع السالب n - type وبلورة شبه الموصل من النوع الموجب p - type ؟

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ــــــــــــــــــ
1-------------------------------------------------2-------------------------------------------3
وجه المقارنة ------------- شبه الموصل من النوع السالب --------- شبه الموصل من النوع الموجب

التعريف ----------------- بلورات لمواد شبه موصلة مطعمة بذرات خماسية التكافؤ ( زرنيخ ) بلورة سيليكون مطعمة بذرات زرنيخ 33As-----------------بلورات لمواد شبه موصلة مطعمة بذرات عناصر ثلاثية التكافؤ ( جاليوم ) بلورة سيليكون مطعمة بذرات جاليوم 31Ga

التوصيل------------------ يعتمد على حركة الالكترونات السالبة ويزداد التوصيل بزيادة نسبة ذرات الشوائب ( الزرنيخ ) وتسمى الالكترونات ( حاملات الشحنة الاساسية - السائدة - ) ------------------ تحتوى على فجوات تعمل كل فجوة عمل شحنة موجبة تحاول اقتناص الكترون سالب ولذلك تتحرك الفجوات الموجبة فى البلورة فى اتجاه عكس اتجاه حركة الالكترونات

تفسير عمل الشوائب --------------اضافة ذرات الزرنيخ يضيف مستويات طاقة اضافية اسفل نطاق التوصيل مباشرة تنتقل منه الالكترونات الى نطاق التوصيل ( بدون انتاج فجوات ) --------------اضافة ذرات الجاليوم يضيف مستويات طاقة اعلى نطاق التكافؤ مباشرة وتنتقل اليها الكترونات من نطاق التكافؤ وتترك فجوات ( بدون انتاج الكترونات )

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ــــــــــــــــــــــــــــــ

ملاحظات على المقارنة السابقة
1. فى البلورة من النوع السالب تسمى مادة الزرنيخ مادة معطية donor حيث تعطى الالكترونات الحرة السالبة
2. تكون البلورة من النوع السالب متعادلة كهربائيا لانها تتكون أصلا من ذرات متعادلة كهربائيا
3. بزيادة عدد ذرات الشوائب يزداد عدد الالكترونات الحرة وتزداد قدرة البلورة على التوصيل ولكن تبقى عملية التطعيم فى حدود معينة ( مثال للتوضيح : يضاف الى الجرمانيوم المنصهر النقى حوالى 0.00001 % من ذرات الزرنيخ وعند التجمد تتكون شبكة جرمانيوم عادية ولكن فى بعض العقد توجد ذرات زرنيخ بدلا من ذرات الجرمانيوم )
4. الطاقة اللازمة لانفصال الالكترون الخامس فى ذرة الزرنيخ تكون صغيرة جدا وأصغر بكثير من الطاقة اللازمة لتأين ذرة الفلز ولذلك تكون جميع ذرات الزرنيخ فى شبه الموصل متأينة فى درجة حرارة الغرفة
5. الالكترونات الحرة. ( الكترون واحد من كل ذرة من الزرنيخ ) تعتبر حاملات الشحنة الاساسية - السائدة -
• فى البلورة من النوع الموجب : تسمى مادة الجاليوم مادة مستلمة ( متقبلة ) acceptor
• تكون البلورة من النوع الموجب متعادلة كهربائيا لأنها تتكون أصلا من ذرات متعادلة كهربائيا

اشباه الموصلات